Cobre, Bronce y Latón: Propiedades y Aplicaciones en Construcción

Materiales Y
Construcción II
COBRE, BRONCE, LATÓN
Tabla de contenido
INTRODUCCIÓN ..................................................................................................................... 2
COBRE .................................................................................................................................... 3
Origen .................................................................................................................................. 3
Usos Y Aplicaciones ............................................................................................................. 6
Propiedades Y Características Del Cobre ............................................................................. 7
Propiedades físicas ......................................................................................................... 7
Propiedades mecánicas .................................................................................................. 8
Características químicas ................................................................................................. 8
Ventajas Y Desventajas Del Cobre ....................................................................................... 9
Ventajas........................................................................................................................... 9
Desventajas ..................................................................................................................... 9
BRONCE ............................................................................................................................... 10
Origen ................................................................................................................................ 10
Usos Y Aplicaciones ........................................................................................................... 11
Propiedades Y Características Del Bronce ......................................................................... 14
Propiedades físicas ....................................................................................................... 15
Propiedades mecánicas ................................................................................................ 15
Ventajas Y Desventajas Del Bronce ................................................................................... 16
Ventajas......................................................................................................................... 16
Desventajas ................................................................................................................... 16
LATÓN................................................................................................................................... 16
Origen ................................................................................................................................ 16
Uso Y Aplicaciones............................................................................................................. 17
Latones ordinarios ......................................................................................................... 18
Latones especiales ....................................................................................................... 19
Propiedades Y Características Del Latón ........................................................................... 19
Ventajas Y Desventajas Del Latón...................................................................................... 20
Ventajas......................................................................................................................... 20
Desventajas ................................................................................................................... 20
BIBLIOGRAFIA ...................................................................................................................... 21
INTRODUCCIÓN
En este trabajo se realizó una labor de investigación acerca del cobre y dos de sus
principales aleaciones, las cuales son el bronce y el latón. Se conocerá la
importancia de este material para el desarrollo tecnológico, social, económico; y
enfocándonos principalmente en su relevancia en los procesos constructivos a
través de la historia.
Se exponen algunos de las propiedades físicas, mecánicas y químicas de
estos materiales para poder así a partir de esta información, realizar un análisis
crítico de los beneficios y perjuicios del uso de estos.
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COBRE
Origen
7000 a.C.
4000 a.C.
En la región de los Grandes Lagos
de América del Norte, donde
abundaban los yacimientos de cobre
nativo, los indígenas acostumbraban
a golpearlas hasta darles forma de
punta de flecha, aunque nunca
llegaron a descubrir la fusión.
Se han encontrado utensilios de
cobre nativo en Çayönü Tepesí
(en la actual Turquía). El cobre de
Çayönü Tepesí fue recocido pero
el proceso aún no estaba
perfeccionado.
V milenio a. C.
3500 a.C.
la producción de cobre en Europa entró en
declive a causa del agotamiento de los
yacimientos de carbonatos. Por esta
época se produjo la irrupción desde el este
de unos pueblos, genéricamente
denominados kurganes, que portaban una
nueva tecnología: el uso del cobre
arsenical.
Esta tecnología, quizás desarrollada en Oriente
Próximo o en el Cáucaso, permitía obtener cobre
mediante la oxidación de sulfuro de cobre. Para
evitar que el cobre se oxidase, se añadía arsénico
al mineral. El cobre arsenical (a veces llamado
también "bronce arsenical") era más cortante que
el cobre nativo y además podía obtenerse de los
muy abundantes yacimientos de sulfuros.
Los primeros crisoles para producir cobre
metálico a partir de carbonatos mediante
reducciones con carbón
Es el inicio de la llamada Edad del cobre,
apareciendo crisoles en toda la zona entre los
Balcanes e Irán, incluyendo Egipto.
3300 a.C.
Ötzi, el cadáver hallado en los Alpes llevaba
un hacha de cobre con un 99,7 % de cobre y
un 0,22 % de arsénico.1617 De esta época
data también el yacimiento de Los Millares
(Almería, España), centro metalúrgico cercano
a las minas de cobre de la sierra de Gádor.
3
En torno al siglo IV a. C.
Entre los siglos X y XII
Se hallaron en Europa Central
grandes yacimientos de plata y
cobre, principalmente
Rammelsberg y Joachimsthal.
La cultura Moche desarrolló la
metalurgia del cobre ya refinado a
partir de la malaquita y otros
carbonatos cupríferos.
En el Barroco, durante los siglos XVII
y XVIII
El cobre y sus aleaciones adquirieron
gran importancia en la construcción de
obras monumentales, la producción de
maquinaria de relojería y una amplia
variedad de objetos decorativos y
funcionales.
Durante gran parte del siglo XIX
Gran Bretaña fue el mayor productor
mundial de cobre, pero la importancia
que fue adquiriendo el cobre motivó la
explotación minera en otros países
1810
Año de su primera junta nacional, Chile
producía unas 19 000 toneladas de cobre al
año. A lo largo del siglo, la cifra fue
creciendo hasta convertir al país en el primer
productor y exportador mundial.
Durante 1831 y 1832
Michael Faraday, Aprovechando esto,
construyó el primer generador eléctrico, el
disco de Faraday, empleando un disco de
cobre que giraba entre los extremos de un
imán con forma de herradura, induciendo
una corriente eléctrica.
1911
La producción mundial de cobre
superó el millón de toneladas de
cobre fino.
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La resistencia a la corrosión del cobre, el
bronce y el latón permitió que estos
metales hayan sido utilizados no solo
como decorativos sino también como
funcionales desde la Edad Media hasta
nuestros días.
1976
Bajo la dictadura militar de Pinochet, el
Estado fundó la Corporación Nacional del
Cobre de Chile (Codelco) para gestionar las
grandes minas de cobre.
1916
Las minas estadounidenses produjeron
por vez primera más de un millón de
toneladas de cobre, representando en
torno a las tres cuartas partes de la
producción mundial.
Entre 2020 y 2030
CRU estima que la demanda mundial de
cobre aumentará de 26.9 a 33.5 millones de
toneladas
2020
Alrededor de 640,000 toneladas de cobre se
consumieron a nivel mundial en tecnologías
de energía renovables.
2020
Chile es el principal productor de cobre,
representando aproximadamente un tercio
de la producción mundial.
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Usos Y Aplicaciones
Eléctrica, electrónica y telecomunicaciones. El cobre se emplea como
conductor eléctrico en la fabricación de cables eléctricos y coaxiales, así
como en el interior de generadores, motores y transformadores eléctricos.
Además, los circuitos integrados y numerosos componentes de los sistemas
informáticos contemporáneos requieren de cobre para su fabricación.
Transporte. Numerosos vehículos automotores requieren de cobre para sus
partes y repuestos, tales como radiadores, frenos y cojinetes, además del
necesario cableado para los componentes eléctricos. Igualmente se emplea
en aleaciones para elaborar partes del casco de los barcos.
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Fabricación de monedas. La mayoría de las monedas del mundo están
compuestas por cobre en diversas aleaciones con níquel, estaño y otros
metales, como el aluminio o el bronce.
Construcción y ornato. Debido a su
resistencia a la corrosión, el cobre y el latón
se emplean en vez del plomo tradicional en
la mayoría de las tuberías de agua, en tanto
conjuntos residenciales como industriales o
comerciales. Esto se debe a que el plomo es
nocivo para la salud y el cobre es un material
arquitectónico común. También se usa para
los pomos de las puertas, para las estatuas
de las plazas, las campanas de las iglesias
y para un amplio segmento del sector
construcción.
Aleaciones y subproductos. El cobre
también sirve de insumo en la obtención de
otros metales más específicos, como el latón (Cu + Zn), el bronce (Cu + Sn),
la alpaca (Cu + Ni + Zn), o en la producción del alambrón, de pilas eléctricas,
etc.
Propiedades Y Características Del Cobre
Propiedades físicas
Es de color rojizo y de brillo metálico y,
después de la plata, es el elemento con
mayor conductividad eléctrica y térmica.
Es un material abundante en la
naturaleza; tiene un precio accesible y se
recicla de forma indefinida; forma
aleaciones para mejorar las prestaciones
mecánicas y es resistente a la corrosión y
oxidación.
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Propiedades mecánicas
Tanto el cobre como sus aleaciones tienen una buena maquinabilidad, es decir, son
fáciles de mecanizar. El cobre posee muy buena ductilidad y maleabilidad lo que
permite producir láminas e hilos muy delgados y finos. Es un metal blando, con un
índice de dureza 3 en la escala de Mohs (50 en la escala de Vickers) y su resistencia
a la tracción es de 210 MPa, con un límite elástico de 33,3 MPa. Admite procesos
de fabricación de deformación como laminación o forja, y procesos de soldadura y
sus aleaciones adquieren propiedades diferentes con tratamientos térmicos como
temple y recocido. En general, sus propiedades mejoran con bajas temperaturas lo
que permite utilizarlo en aplicaciones criogénicas.
Características químicas
En la mayoría de sus compuestos, el 6
presenta estados de oxidación bajos,
siendo el más común el +2, aunque
también existen algunos con estado de
oxidación +1.
Expuesto al aire, el color rojo
salmón, inicial se torna rojo violeta por
la formación de óxido cuproso (Cu2O)
para ennegrecerse posteriormente por
la formación de óxido cúprico (CuO). La
coloración azul del Cu+2 se debe a la
formación del ion [Cu (OH2)6]+2.
Expuesto largo tiempo al aire húmedo, forma una capa adherente e
impermeable de carbonato básico (carbonato cúprico) de color verde y venenoso.
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También pueden formarse pátinas de cardenillo, una mezcla venenosa de acetatos
de cobre de color verdoso o azulado que se forma cuando los óxidos de cobre
reaccionan con ácido acético, que es el responsable del sabor del vinagre y se
produce en procesos de fermentación acética. Al emplear utensilios de cobre para
la cocción de alimentos, deben tomarse precauciones para evitar intoxicaciones por
cardenillo que, a pesar de su mal sabor, puede ser enmascarado con salsas y
condimentos y ser ingerido.
Ventajas Y Desventajas Del Cobre
Una vez conocidas las propiedades y antecedente de este material es posible hacer
una mejor valoración. Sin duda ha formado parte del desarrollo tecnológico que ha
impulsado a la humanidad a la posición en que se encuentra actualmente. A
continuación, valoraremos sus pros y contras.
Ventajas
Gracias a sus propiedades físicas principalmente como; la alta conductividad
principalmente y la que hace que se utilice en varios campos de aplicación
principalmente. Debido a esta propiedad el cobre es utilizado en las diversas
aplicaciones que pudimos ver en la sección de aplicaciones. Otras serian la
ductilidad y maleabilidad que permiten que el cobre tomo distintas formas y que
pueda ser aplicado en situaciones distintas.
Entre las ventajas químicas podemos encontrar su alta resistencia a la
corrosión y oxidación, por la que la hace una gran candidata para el transporte de
fluidos.
Otra característica que es una propiedad externa al propio cobro, como
puede ser la gran cantidad de material que se encuentra en el planeta, la relativa
facilidad con la que se extrae y se puede reciclar, hace del cobre un material de
costes no muy elevados.
Desventajas
Entre los pocos contras que podemos encontrar a este material son; que si no se le
da el correcto mantenimiento puede causar procesos tóxicos y nocivos para la
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salud. Y su alta conductividad lo hace un material difícil de soldar. Pero estos se
pueden solucionar a partir de sus aleaciones que corrigen estos problemas.
BRONCE
Origen
Finales del IV milenio a.C.
Fue en Sumeria donde comenzó a usarse el
bronce
3000 a.C.
Se empezó a usar el bronce en Asia menor
Mediados del III milenio a. C.
Se empezó a utilizar el bronce en la antigua
Grecia.
2300 a.C.
La Edad de Bronce comienza alrededor del
2300 a.C. en Europa. Al principio se fabrican
pocas herramientas, pero para el 1200 aC, el
bronce reemplazó a todas las herramientas de
piedra.
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2000 a.C.
Se conoce en bronce en Asia central.
1800 a.C.
Se empieza a utilizar el bronce en China.
600 a.C.
Se empieza a acuñar monedad de bronce, las
cuales eran de uso más cotidiano.
1733
La mayor campana que se conserva, llamada
Tsar Kólokol, fue fundida en 1733 por Iván
Motorin, por encargo de la emperatriz Ana de
Rusia, sobrina del Zar Pedro el Grande.
Siglo XVI
El bronce se impuso como el material casi
único para toda la artillería y mantuvo ese
dominio hasta bien entrado el siglo XIX.
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Usos Y Aplicaciones
Bronce RG7: tiene una dureza media, por lo que se mecaniza con facilidad y
es resistente a la corrosión propia de ambientes marinos. Por estas razones
es indicado para casquillos que soportan cargas fuertes y velocidades bajas,
ofreciendo una relevante resistencia al desgaste aún en condiciones
exigentes.
Bronce RG12: soporta con eficiencia la corrosión y al agua de mar. Así, es la
opción más ajustada para coronas dentadas, camisas de cilindros, ruedas
helicoidales, elementos anulares y tubulares, barras de ajuste y
deslizamiento, casquillos de alta resistencia y cojinetes de fricción con
elevadas cargas, entre otros.
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Bronce aluminio: con hasta un 10% de aluminio se consigue un material duro,
muy soldable, con una gran resistencia al desgaste, la corrosión y la
cavitación. Aguanta muy bien la acción del agua de mar a cualquier
temperatura, así como la de ácidos no oxidantes. Es recomendable para
válvulas de vapor, válvulas de máxima presión en aplicaciones hidráulicas,
propulsores navales, cojinetes de deslizamiento con cargas de junta muy
elevadas, bujes, tornillos, tuercas y cubiertas protectoras en barcos, etc.
También se emplea en trabajos artísticos.
Bronce fosforoso: cuenta con un 30% de estaño, además de fósforo en hasta
un 0,5%, gracias al que consigue rebajar la fricción en rodamientos y
cojinetes. Se logra un material duro, muy empleado en motores y engranajes.
El bronce fosforado o fosforoso se
usa también en resortes, pernos y
elementos que sufrirán mucho
desgaste y estarán expuestos a la
corrosión química, como sucede en
los barcos. Además, sirve para
elaborar puentes dentales y cables
más económicos que los de cobre
de berilio. Su buena conductividad
eléctrica y baja conductividad
térmica lo hacen muy útil en la
criogenia, consiguiendo así conectar
eléctricamente
dispositivos
a
temperaturas muy bajas sin añadir
apenas calor.
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Bronce al silicio: tienen una elevadísima dureza, comparable a los aceros de
medio carbón, y una resistencia a la corrosión similar a la del cobre. Se usa
en recipientes de presión, tanques, conductos hidráulicos bajo presión, así
como en elementos del sector naval.
Propiedades Y Características Del Bronce
El bronce tiene las siguientes propiedades:
Su punto de ebullición es de 2230 a 2420 °C
Su punto de fusión es de 830 a 1020 °C
La densidad del bronce es de 8.90 g/cm3.
La dureza del bronce, según la escala de Binell va de 70 a 200 HB (la
medida máxima de esta escala de dureza son 600 HB).
El bronce es una aleación metálica que se caracteriza por:
Es un excelente conductor de la electricidad.
Acumula menos calor que otros metales, por ello es utilizado en la
fabricación de elementos industriales, ya que su uso es seguro.
Es menos rígido que otros metales, por lo cual es un material fácil de
manipular.
El bronce es resistente a la corrosión y esto alarga la vida útil de los
productos fabricados con esta aleación.
No genera chispas cuando choca con una superficie rígida, esto hace que
el bronce sea un material de uso seguro en presencia de gases inflamables
o elementos explosivos.
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Propiedades físicas
Datos para una aleación promedio con 89% de cobre y 11% de estaño:
Densidad: 8,90 g/cm³
Punto de fusión: de 830 a 1020 °C
Punto de ebullición: de 2230 a 2420 °C
Coeficiente de temperatura: 0,0006 K-1
Resistividad eléctrica: de 14 a 16 µΩ/cm
Coeficiente de expansión térmica: entre 20 y 100 °C → 17,00 x 10-6 K-1
Conductividad térmica a 23 °C: de 42 a 50 Wm-1
Propiedades mecánicas
Datos para una aleación promedio con 89% de
cobre y 11% de estaño:
Elongación: <65%
Dureza Brinell: de 70 a 300
Módulo de elasticidad: de 80 a 115 GPa
Resistencia a la cizalla: de 230 a 490
MPa
Resistencia a la tracción: de 300 a 900
MPa
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Ventajas Y Desventajas Del Bronce
Ventajas
El cobre y sus aleaciones tienen una amplia variedad de usos como resultado de la
versatilidad de sus propiedades mecánicas, físicas y químicas. Téngase en cuenta,
por ejemplo, la conductividad eléctrica del cobre puro, la excelente maleabilidad de
los cartuchos de munición fabricados en latón, la baja fricción de aleaciones cobreplomo, la sonoridad del bronce para campanas y la resistencia a la corrosión de la
mayoría de sus aleaciones.
Desventajas
Aunque desarrollan pátina no se oxidan bajo la superficie, son más frágiles y tienen
menor punto de fusión. Son aproximadamente un 10% más pesadas que el acero,
a excepción de las compuestas por aluminio o sílice. También son menos rígidas,
por lo tanto, en aplicaciones elásticas como resortes acumulan menos energía que
las piezas similares de acero. Resisten la corrosión, incluso la de origen marino, el
umbral de fatiga metálica es menor, y son mejores conductores del calor y la
electricidad.
LATÓN
Origen
Aunque el latón se ha utilizado en distintas
formas desde la prehistoria, su verdadera
naturaleza como una aleación de cobre y
zinc no se entendió hasta el período
posterior a la Edad Media, puesto que el
vapor de zinc que reaccionaba con el cobre
para formar el latón no se reconocía como
metal.
Los primeros latones pueden haber sido aleaciones naturales fabricadas
mediante la fundición de menas de cobre ricas en zinc. En la antigua Roma, el latón
se producía deliberadamente a partir de minerales metálicos de cobre y zinc
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utilizando el proceso de cementación, cuyo producto era el latón de calamina.
Variantes de este método continuaron usándose hasta mediados del siglo XIX.
Finalmente, sería reemplazado por el proceso de espelterizado, un sistema
introducido en Europa en el siglo XVI que consiste en la aleación directa de cobre y
zinc metálico.
Históricamente, en ocasiones se ha hecho referencia al latón como "cobre
amarillo".
Uso Y Aplicaciones
El latón tiene un color dorado, por lo que se utiliza en
bisutería y elementos decorativos. Otras aplicaciones
de los latones abarcan los campos más diversos,
desde la calderería hasta el armamento, soldadura, la
fabricación de alambres, tubos de condensador,
terminales eléctricos y acuñación de monedas. No es
atacado por el agua salada, de ahí que se use en las
construcciones de barcos, en equipos pesqueros.
También está presente en la fabricación de muchos
instrumentos musicales de viento (como trompetas,
tubas, saxofones, algunos clarinetes y flautas...),
lengüetas sonoras para armonios, acordeones y registros de lengüetería para
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órganos musicales. Además, por su acción antimicrobiana, se usa en los pomos de
las puertas en los hospitales, que se desinfectan solos a diferencia de los no
metálicos.
Dentro de las aplicaciones decorativas, se
emplea sobre todo para la confección de
lámparas, barras de cortina y para algunas
piezas trabajadas dentro de la orfebrería. Los
países que mayor consumo demuestran en este
tipo de enseres son los países del este de
Europa, bálticos o de la antigua Unión Soviética.
[cita requerida] También los países árabes,
principalmente los mayores productores de
petróleo, e incluso algunos países asiáticos.
El latón no produce chispas por impacto
mecánico, una propiedad atípica en las aleaciones. Esta característica convierte al
latón en un material importante en la
fabricación
de
envases
para
la
manipulación de compuestos inflamables, y
herramientas para uso en cercanía de
gases inflamables. Por su fácil mecanizado
y buen precio de las virutas recicladas, se
usa mucho para la fabricación de válvulas
industriales. Asimismo, se utiliza en la
fabricación de hélices de barco por su
resistencia a la cavitación, e incluso en
algunas carcasas de ordenadores donde se
sitúa la placa base.
Latones ordinarios
Latones rojos: entre ellos se encuentra el usado en joyería por su parecido con el
oro, además del bronce comercial, con un 10% de cinc, muy utilizado como imitación
del bronce. El petirrojo tiene un 15% de cinc y se emplea para los radiadores de
coches. El latón bajo, con algo menos de un 20% de cinc da forma a tubos flexibles.
Latones amarillos: el porcentaje de cinc es de entre el 25% y el 35%. Son el latón
para muelles y resortes y el de cartuchos y municiones.
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Latones alfa + beta: con entre el 36% y el 42% de cinc, son menos dúctiles que los
latones rojos y amarillos y no se laminan en frío. Hay que trabajarlos y conformarlos
en caliente. Hna sido muy usado en barcos desde que fue patentado por Muntz en
el siglo XIX.
Latones especiales
Son las aleaciones de cobre y cinc a las que se añaden otros elementos para
conseguir mayor dureza, resistencia mecánica y a la corrosión. Los latones
especiales más frecuentes son:
Latón al aluminio
Latón al hierro: ofrece una mejora en la dureza y resistencia a la tracción
frente al latón estándar.
Latón al plomo: de gran resistencia mecánica y maquinabilidad.
Latón al manganeso: tiene una mayor resistencia a la tracción y menor
ductilidad.
Latón al estaño: de mayor resistencia a la tracción y a la corrosión. En este
caso se encuentran dos aleaciones conocidas: el metal de almirantazgo, muy
resistente a la corrosión, por lo que es usado en tubos de condensadores, y
el latón naval, muy usado en agua dulce y salada. Este último se compone
de un 40% de cinc para resistir mejor la salinidad.
Latón al silicio, como el conocido bronsil. Con un destacado comportamiento
ante la corrosión, se usa para válvulas, bombas y engranajes.
Latón complejo: aleado con otros materiales, resiste muy bien a la corrosión
y a la cavitación, por lo que está presente en hélices y otras piezas de barcos,
así como en equipos de pesca.
Propiedades Y Características Del Latón
Maquinabilidad y ductilidad tanto en frío como en caliente.
Alta resistencia a la oxidación y corrosión, incluso en condiciones de alta
salinidad.
Solidez frente al desgaste.
Alta conductividad eléctrica.
Altamente reciclable.
Inalterable en la exposición a temperaturas extremas o luz.
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Ventajas Y Desventajas Del Latón
Ventajas
Entre las ventajas que tiene este material podemos encontrar todas sus
propiedades, la alta resistencia a la corrosión, lo que favorece para su uso en
condiciones marítimas y de transporte de fluidos. Su bajo coste al y su maleabilidad
para ser trabajado en joyería y adornados.
Desventajas
A comparación con otros materiales no tiene tanta dureza pero mientras se utilizado
tomando en cuentas sus fortalezas no debería de haber mayor problema.
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