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Nov 24, 2023

Estándares y Propiedades: Metalurgia del Cobre

Por William D. Nielsen, Jr. Western Reserve Manufacturing Co., Inc. La base

Por William D. Nielsen, Jr. Western Reserve Manufacturing Co., Inc.

Las propiedades básicas de las aleaciones de cobre están influenciadas en gran medida por las propiedades del propio cobre. Se sabe que el cobre posee ciertas cualidades únicas que lo convierten en el mejor material de ingeniería para aplicaciones de cojinetes. Estos son:

Las tres cualidades anteriores están directamente relacionadas con la estructura y el comportamiento de la estructura del cobre a escala atómica.

El cobre sólido se puede describir como la disposición de los átomos de cobre en una configuración cúbica centrada en las caras (fcc). Un átomo de cobre se encuentra en cada esquina y en el centro de cada cara de un cubo como se muestra enFigura 1 . Esta es la celda unitaria que se repite en el espacio tridimensional para formar la estructura cristalina del metal.

Los átomos se mantienen en su lugar en la estructura por la energía de las atracciones atómicas entre ellos. Es esta particular disposición cúbica centrada en las caras de los átomos lo que le da al cobre su alta ductilidad y dureza. Todos los metales se deforman por medio de un mecanismo llamado deslizamiento. Cuando ocurre el deslizamiento, una fuerza sobre el metal hace que los átomos se deslicen unos junto a otros en grupos. En la estructura fcc de cobre, este movimiento ocurre preferentemente en cualquiera o en las tres direcciones a lo largo de un plano geométrico específico de átomos dentro de la red, como se muestra en la figura.Figura 2.

La combinación del cobre de estructuras electrónicas y cristalográficas imparte su excelente resistencia a la corrosión. La nube de electrones libres está fácilmente disponible para formar películas coherentes sobre la superficie del metal que protegen la red de una mayor corrosión.

La estructura fcc que genera los planos de deslizamiento imparte otra característica a estos mismos planos. Los átomos en los planos de deslizamiento están tan juntos como es posible en cualquier sistema metálico (Figura 2 ). Este arreglo eficiente de átomos empaqueta la mayor parte de la materia en un espacio dado (como las abejas parecen saber cuando construyen panales). Es muy difícil para los iones de hidrógeno encontrar su camino a través de los pequeños espacios entre los átomos y causar agrietamiento por corrosión bajo tensión, excepto en los entornos más agresivos.

Hemos visto cómo el cobre, el metal base para el bronce fundido, cuando se ve en la escala atómica, imparte las características importantes para buenos materiales de soporte. Pero los rodamientos no están hechos de cobre puro, sino de una amplia gama de aleaciones de cobre que ahora están disponibles. Cada una de estas aleaciones mejora el rendimiento del cobre puro y adapta aún más el nuevo material a entornos específicos. Examinemos algunos de los sistemas de aleación más comunes con respecto a la metalurgia del material y su propósito en el diseño de rodamientos.

Los grados de cojinetes de bronce fundido se pueden clasificar metalúrgicamente en tres categorías:

Para comprender el desempeño de las diferentes aleaciones, primero debemos comprender qué sucede con la estructura básica del cobre cuando se agregan pequeñas cantidades de metales de aleación. Las reacciones ocurren durante la solidificación y el enfriamiento de las aleaciones desde su estado fundido.

En términos simples, la disposición final de los metales de aleación con respecto a la red normal de cobre fcc determina las propiedades del material de aleación.

Los metales de aleación encuentran su lugar en la red de cobre de tres formas básicas:

La investigación ha dado como resultado la representación gráfica de cómo reaccionan los sistemas de aleaciones binarias simples. Esta representación se llama diagrama de fase. Los diagramas de fase de algunos sistemas binarios relevantes para el bronce muestran el comportamiento de los elementos de aleación que típicamente resultan en uno de los tres casos mencionados anteriormente. El diagrama de fase de equilibrio cobre-estaño (figura 3) ilustra los Casos (1) y (2).

Un ejemplo de una aleación comercial monofásica de este tipo es la aleación C90300, cuyas propiedades se comparan con las del cobre en la siguiente tabla.

Si el contenido de estaño aumenta al 11 % o más, parte de la fase alfa se transformará a medida que el metal se enfríe por debajo de los 400 °C. Aparece una nueva fase, intercalada a lo largo de los cristales normales de fcc alfa. Esta fase, llamada delta, se puede conservar en el material con un enfriamiento bastante rápido (Figura 5).

La fase delta (aunque todavía básicamente fcc) contiene mucho más estaño en proporción al cobre que el que se encuentra en la fase alfa y es muy dura y fuerte pero carece de mucha ductilidad. Aparece en las mejores condiciones como islas finamente dispersas por toda la microestructura del material. La influencia de esta segunda fase en el mecanismo de deslizamiento es dramática, teniendo el efecto de inmovilizar los planos de deslizamiento después de pequeños grados de movimiento. Pero la fase delta también aumenta considerablemente la resistencia al desgaste del material, como lo indica el aumento significativo de la dureza. Las populares aleaciones de bronce al aluminio (C95400 y C95500) y los bronces al manganeso (C86300 y C86400) obtienen su alta resistencia y dureza de manera similar, aunque los actores son diferentes. No obstante, las propiedades son el resultado de la dispersión de otra fase (o fases) en la red básica de fcc, siendo, en casi todos los casos, la fase dispersada mucho más dura y fuerte que la mayor parte del material de la matriz circundante. Estas "discontinuidades diseñadas" en el material sirven para anclar los planos de deslizamiento y restringir su movimiento.

Estos materiales se conocen como aleaciones polifásicas y se caracterizan por una mayor resistencia, dureza y resistencia al desgaste que las aleaciones alfa; pero exhiben mucha menos ductilidad como se muestra en la tabulación a continuación. Como resultado, son más adecuados para piezas de superficie de control donde la integridad dimensional es más importante y para cargas pesadas y cargas de impacto a bajas velocidades, por ejemplo, cojinetes de trenes de aterrizaje de aviones.

Una característica adicional de las aleaciones polifásicas es que sus propiedades pueden variar con la temperatura en grados significativos en comparación con los materiales monofásicos. Tales aleaciones son a menudo tratables térmicamente. A través de la manipulación de la microestructura de la aleación, como se muestra en el diagrama de fase de equilibrio mediante el "cortocircuito" del equilibrio, se pueden obtener ciertas propiedades que están ausentes en la condición de colada.

En cualquier caso, los materiales polifásicos que no contengan cantidades significativas de plomo solo deben utilizarse como cojinetes contra superficies de acero que hayan sido endurecidas por tratamiento térmico. En el caso de aplicaciones de bronce de aluminio o bronce de manganeso, a menudo se recomienda que el eje sea cromado o hecho de un material bimetálico similar al que se usa para los rodillos de acero.

Hoy en día es posible producir material a base de cobre con un contenido de plomo superior al 30%, en el que el tamaño de la partícula de plomo es de escala microscópica. Por otro lado, si la aplicación del rodamiento indica que son más deseables partículas de plomo más grandes, también es posible producir la aleación en esa forma.

El plomo realiza tres importantes funciones de rodamiento, todas las cuales sirven para proteger el eje y mejorar el rendimiento de la maquinaria. De primordial importancia es la capacidad de las partículas de plomo para disminuir el coeficiente de fricción entre el rodamiento y el eje. El mecanismo por el cual esto se logra es muy interesante. Las partículas de plomo pueden desprenderse libremente de la superficie del cojinete por los bordes ásperos microscópicos de la superficie del eje. El eje de acero se cubre con plomo que se redistribuye gradualmente para llenar los puntos bajos del eje. Una vez que se ha logrado esto, el coeficiente de fricción vuelve a aumentar ligeramente, como se indica en la tabla a continuación (Referencia 4). Este mismo fenómeno tiene la ventaja adicional de que la temperatura desarrollada en los puntos de contacto entre el cojinete y la pieza acoplada está limitada por la temperatura de fusión del plomo 327, C). Obviamente, esta propiedad de las aleaciones con plomo es muy valiosa en ausencia de lubricación (planificada o accidental) o si el entorno operativo de la máquina está sujeto a amplias temperaturas extremas, por ejemplo, en aviones o equipos de campos petrolíferos árticos.

La segunda función importante del plomo es absorber la suciedad que se introduce en la interfaz, aunque este problema se puede evitar mediante el diseño de cojinetes debidamente sellados siempre que sea posible.

En tercer lugar, las aleaciones con plomo, que tienen una resistencia algo menor que las aleaciones de cobre y estaño sin plomo, y una resistencia mucho menor que las aleaciones de cobre y aluminio o cobre y zinc, exhiben altos grados de adaptabilidad. Es decir, el cojinete ajustará su forma para permitir una mala alineación o vibración. Esta característica, junto con las descritas anteriormente, permite decir que las aleaciones con plomo se desgastarán muy bien, una característica particularmente deseable para los engranajes de tornillo sinfín, por nombrar un ejemplo. Los bronces que contienen plomo también son fácilmente maquinables.

El ingeniero debe recordarse a sí mismo que estas aleaciones no son tan fuertes como los materiales sin plomo, ni exhiben una resistencia tan grande al golpeteo y la fatiga subsiguiente que lleva a la falla. Sin embargo, una consideración reconfortante es que la falla total del rodamiento probablemente no destruya el eje o agarrote la máquina, debido a la "blandura" de estas aleaciones.

Al seleccionar la matriz adecuada en la que se moldearán las partículas de plomo, el ingeniero puede elegir entre una gama bastante amplia de resistencia del material compatible con cargas de moderadas a ligeras y altas velocidades, como se muestra en la siguiente tabla. Los valores son para coladas continuas de menos de 3 pulgadas de diámetro.

Repasemos ahora las familias de aleaciones de bronce para cojinetes mediante dos tablas que comparan algunas de sus propiedades de ingeniería más importantes.tabla 1resume las composiciones químicas y las propiedades de aplicación.Tabla 2indica los usos más comunes de estos materiales y sus cualidades de rendimiento en los entornos de aplicación en los que encuentran mayor uso.

Todas las aleaciones que se muestran en las tablas son esencialmente variaciones de los materiales fundamentales que se han discutido. En algunos casos, se puede haber agregado plomo para mejorar la maquinabilidad (C92500 vs. C90700). Quizás se haya agregado níquel para aumentar la fuerza o la resistencia a la corrosión (C95500 vs. 95400). El contenido de manganeso y hierro puede variar para estabilizar ciertas estructuras (C86300 frente a C86400). El zinc puede haber sido sustituido por estaño en aras de la economía (C90500 frente a C90700). Se creó una aleación a partir de la disponibilidad predominante de materiales de desecho (C93200 de C83600 y C93700) y ahora es quizás la aleación para rodamientos más utilizada. Es un muy buen compromiso. No obstante, cada material tiene un conjunto único de propiedades que se adaptarán mejor a una apreciación particular.

Son importantes algunas palabras sobre la economía relativa de los materiales de aleación. Todos los componentes de aleación están sujetos a la influencia de los mercados mundiales, donde sus niveles de precios están determinados por la oferta, la demanda, los controles gubernamentales y el interés especulativo. Las fluctuaciones en el mercado mundial de estos componentes acaban repercutiendo en el coste del metal compuesto para las aleaciones y esto también influye en el valor de desecho del material cuando se retira del servicio.Tabla 3muestra los valores relativos generales aproximados del cobre y los principales materiales de aleación, en el momento en que se escribió.

Las aleaciones de cobre para rodamientos están disponibles en muchas formas producidas por varios métodos de fabricación. Los métodos de producción de fundición se resumen enTabla 4.

La fundición en moldes de arena o enfriadores son métodos de producción ideales para tiradas muy pequeñas o piezas muy pequeñas y, a veces, son obligatorios para piezas muy grandes, como hélices de barcos.

Todas las aleaciones discutidas están disponibles en estas formas, aunque pueden ocurrir problemas con la segregación severa de plomo cuando el contenido de plomo se acerca al 16%. Se puede moldear una amplia gama de tamaños y formas complejas. Los latones rojos, que son muy populares como materiales de ferretería, se producen mediante estos métodos, principalmente en forma de cuerpos de válvulas y accesorios.

Nuevamente, todas las aleaciones en cuestión se producen fácilmente mediante el método de fundición centrífuga, con la excepción de los bronces al estaño con alto contenido de plomo, en los que el contenido de plomo se aproxima al 20 %. Los problemas de segregación de plomo son sensibles al tamaño de la fundición. Con este método se fabrican bujes muy grandes. Es probable que la mayoría de los bujes de más de 14 pulg. de DE y hasta aproximadamente 100 pulg. de DE sean piezas fundidas centrífugas. Tales fundiciones se pueden hacer en longitudes que exceden las 100 pulgadas. Sin embargo, las fundiciones centrífugas pequeñas también son artículos de gran volumen. Muchos de los rodamientos con pestaña más grandes o piezas brutas de engranajes se fabrican con este método. Aunque sensible a la cantidad de producción, las tiradas pequeñas pueden ser muy económicas. Los distribuidores de existencias mantienen inventarios de fundiciones centrífugas semielaboradas, principalmente en tamaños estándar y especialmente en aleaciones C95400 y C93200.

Todas las aleaciones están disponibles como material en barra de colada continua; la segregación de plomo generalmente no es un problema. Puede ser necesario aliviar la tensión en ciertas fundiciones con paredes muy delgadas, en particular si la aleación es C95400, C95500 o C86300, para evitar la pérdida de juego o tolerancia en la fabricación y el uso. Se encuentra disponible una amplia gama de tamaños de barras de material de sección transversal sólidas, tubulares y hechas a pedido. Los diámetros van desde menos de 0,500 pulg. hasta aproximadamente 14 pulg. de DE, en longitudes de hasta aproximadamente 13 pies. Es posible producir barras de paredes muy delgadas, a veces de menos de 1/4 de pulg., según el DE. Estos productos son ideales para la fabricación posterior utilizando máquinas herramienta automáticas.

Grandes cantidades de productos de colada continua son considerablemente más económicas, pero nuevamente los distribuidores de almacenamiento absorben una gran parte de esta carga, particularmente en lo que respecta a las aleaciones C95400, C93200 y C90300.

Las aleaciones de bronce fosforado forjado (C51000, C52100, C52400, C54400) se utilizan a veces en aplicaciones de cojinetes. Estas aleaciones también están disponibles como coladas continuas en el templado recocido. El bronce fosforado forjado generalmente se limita a aproximadamente 3 pulgadas de diámetro exterior y menos. C54400 tiene el contenido de plomo más alto disponible, alrededor del 4%. No es posible extruir o laminar aleaciones con mayor contenido de plomo.

Las aleaciones de aluminio y bronce al manganeso también tienen equivalentes forjados. Las aleaciones forjadas tienen propiedades mecánicas muy fuertes, habiendo sido severamente trabajadas ya sea por extrusión, estirado, laminado o forjado y son ampliamente utilizadas en aplicaciones aeroespaciales. Algunas de estas aleaciones se utilizan como materiales de soldadura. Estas aleaciones también están disponibles en diferentes formas extruidas, aunque la variedad disponible depende bastante de la cantidad. El tratamiento térmico de las aleaciones fundidas produce propiedades mecánicas similares a las de los materiales forjados, al igual que la colada continua de los bronces al aluminio. En términos generales, se requieren grandes cantidades de producción para que los productos forjados sean económicos, aunque los distribuidores de existencias han asumido esta carga para el usuario final de cantidades más pequeñas.

Algunos productores, así como muchos distribuidores de existencias y casas de cojinetes, tienen inventarios de bujes terminados estándar, particularmente en aleación C93200. Estas piezas se fabrican en masa y están fácilmente disponibles.

Varios talleres mecánicos se especializan en la producción de rodamientos, en particular diseños no estándar y aleaciones críticas hechas a pedido. Estos talleres operan sofisticados centros de maquinado. Utilizando el mejor equipo disponible, son capaces de lograr el más alto grado de precisión en la producción de piezas y mantener altos estándares de control de calidad del material. Dichos establecimientos prestan servicios a los establecimientos OEM y los departamentos de mantenimiento de corporaciones más grandes que eligen no fabricar sus propios rodamientos. Brindan un servicio económico y conocen bien la tecnología y las fuentes de aleaciones de calidad para cojinetes que mejor se adaptan a la producción de un cojinete determinado.

La ingeniería metalúrgica, aunque en gran medida una ciencia, es también en gran medida un arte. La investigación, la amplia experiencia y un amplio conocimiento de las propiedades que los elementos de aleación pueden impartir al metal base de cobre son esenciales para un buen diseño de materiales. De igual importancia es la comprensión de la economía asociada con los materiales, la producción de piezas y el funcionamiento de la maquinaria de uso final. Las extraordinarias propiedades del cobre, el latón y el bronce han beneficiado a industrias de todo el mundo gracias a su rendimiento fiable, disponibilidad general y calidad económica.