Estándares y Propiedades: Metalurgia del Cobre

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 rodamientos. 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 puede describirse como la disposición de los átomos de cobre en una configuración cúbica centrada en las caras (fcc). Se encuentra un átomo de cobre 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 gracias a la energía de las atracciones atómicas entre ellos. Es esta particular disposición cúbica de los átomos centrada en las caras la que le da al cobre su alta ductilidad y tenacidad. Todos los metales se deforman mediante un mecanismo llamado deslizamiento. Cuando se produce un deslizamiento, una fuerza sobre el metal hace que los átomos se deslicen unos sobre otros en grupos. En la estructura de cobre fcc, 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 enFigura 2.

La combinación del cobre de estructuras electrónicas y cristalográficas le confiere una 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 confiere otra característica a estos mismos planos. Los átomos en los planos de deslizamiento están empaquetados lo más juntos posible en cualquier sistema metálico (Figura 2 ). Esta eficiente disposición de átomos concentra la mayor cantidad de materia en un espacio determinado (como parecen saber las abejas cuando construyen panales). Es muy difícil para los iones de hidrógeno encontrar su camino a través de los pequeños espacios entre los átomos y provocar grietas por corrosión bajo tensión, excepto en los entornos más agresivos.

Hemos visto cómo el cobre, el metal base del bronce fundido, visto a escala atómica, imparte características importantes para buenos materiales para cojinetes. 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 aleaciones más comunes con respecto a la metalurgia del material y su propósito en el diseño de rodamientos.

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

Para comprender el desempeño de 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 enfriamiento de aleaciones desde su estado fundido.

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

Los metales aleados 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 fases. Los diagramas de fases de algunos sistemas binarios relevantes para el bronce muestran el comportamiento de los elementos de aleación que típicamente resulta en uno de los tres casos mencionados anteriormente. El diagrama de fases de equilibrio cobre-estaño (figura 3) ilustra los casos (1) y (2).

Un ejemplo de una aleación comercial monofásica 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 400°C. Aparece una nueva fase, intercalada entre los cristales alfa de fcc normales. Esta fase, llamada delta, puede conservarse 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 se encuentra en la alfa y es muy dura y fuerte, pero carece de mucha ductilidad. En las mejores condiciones aparece como islas finamente dispersas en toda la microestructura del material. La influencia de esta segunda fase sobre el mecanismo de deslizamiento es espectacular y tiene el efecto de fijar 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 demuestra el aumento significativo de la dureza. Las populares aleaciones de bronce de aluminio (C95400 y C95500) y bronces de 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 fcc básica y, en casi todos los casos, la fase dispersa es mucho más dura y resistente 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 tener mayor resistencia, dureza y resistencia al desgaste que las aleaciones alfa; pero exhiben mucha menos ductilidad como se muestra en la siguiente tabulación. Como resultado, son más adecuados para piezas de superficies de control donde la integridad dimensional es más importante y para cargas pesadas y cargas de choque a bajas velocidades, por ejemplo, rodamientos 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. Estas aleaciones suelen ser tratables térmicamente. Mediante la manipulación de la microestructura de la aleación como se muestra en el diagrama de fases de equilibrio mediante "cortocircuito" del equilibrio, se pueden obtener ciertas propiedades que están ausentes en la condición de fundición.

En cualquier caso, los materiales polifásicos que no tienen cantidades significativas de plomo sólo deben usarse como apoyo contra superficies de contacto de acero que hayan sido endurecidas mediante tratamiento térmico. En el caso de aplicaciones de bronce de aluminio o bronce de manganeso, a menudo se recomienda que el eje esté cromado o hecho de un material bimetálico similar al utilizado para los rodillos de las acerías.

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 funciones importantes en los cojinetes, 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 bastante interesante. Las partículas de plomo pueden desprenderse libremente de la superficie del rodamiento mediante bordes rugosos microscópicos en 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 logrado esto, el coeficiente de fricción vuelve a aumentar sólo ligeramente, como se indica en la siguiente tabulación (Referencia 4). Este mismo fenómeno tiene una ventaja adicional porque la temperatura desarrollada en los puntos de contacto entre el rodamiento y la parte acoplada está limitada por la temperatura de fusión del plomo (327, C). Obviamente, esta propiedad de las aleaciones de plomo es muy valiosa en ausencia de lubricación (planificada o accidental) o si el entorno operativo de la máquina está sujeto a grandes temperaturas extremas, por ejemplo en aviones o equipos de campos petrolíferos árticos.

La segunda función importante del plomo es absorber la suciedad que llega a la interfaz, aunque este problema puede evitarse mediante el diseño de cojinetes sellados adecuadamente 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-aluminio o cobre-zinc, exhiben altos grados de conformabilidad. Es decir, el rodamiento ajustará su forma para permitir una mala alineación o vibración. Esta característica, junto con las descritas anteriormente, permite decir que las aleaciones de plomo se "desgastan" muy bien, una característica particularmente deseable para los engranajes helicoidales, por nombrar un ejemplo. Los bronces que contienen plomo también son fácilmente mecanizables.

El ingeniero debe recordar que estas aleaciones no son tan fuertes como los materiales sin plomo, ni exhiben una resistencia tan grande al golpe y la fatiga posterior que conduce a la falla. Sin embargo, una consideración reconfortante es que no es probable que una falla total del cojinete destruya el eje o atasque la máquina, debido a la "suavidad" de estas aleaciones.

Al seleccionar la matriz adecuada en la que se fundirán las partículas de plomo, el ingeniero puede seleccionar 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 tabulación. Los valores son para piezas fundidas continuas de menos de 3 pulgadas de diámetro.

Repasemos ahora las familias de aleaciones de bronce para rodamientos 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 más uso.

Todas las aleaciones que se muestran en las tablas son esencialmente variaciones de los materiales fundamentales que se han analizado. En algunos casos, es posible que se haya agregado plomo para mejorar la maquinabilidad (C92500 frente a C90700). Quizás se haya agregado níquel para aumentar la resistencia o la resistencia a la corrosión (C95500 frente a 95400). El contenido de manganeso y hierro puede variarse para estabilizar ciertas estructuras (C86300 frente a C86400). Es posible que se haya sustituido el zinc por estaño por motivos de economía (C90500 frente a C90700). Se creó una aleación a partir de la disponibilidad predominante de materiales de desecho (C93200 a partir 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 la 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 finalmente influyen en el coste del metal compuesto de las aleaciones y esto también influye en el valor residual 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 esto.

Las aleaciones de cobre para rodamientos están disponibles en muchas formas producidas mediante diversos métodos de fabricación. Los métodos de producción de piezas fundidas se resumen enTabla 4.

La fundición en moldes de arena o frío 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 analizadas están disponibles en estas formas, aunque pueden ocurrir problemas con una segregación severa de plomo cuando el contenido de plomo se acerca al 16%. Se puede fundir una amplia gama de tamaños y formas intrincadas. Los latón rojos, que son muy populares como materiales de plomería, 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 de 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 pieza fundida. Con este método se fabrican casquillos muy grandes. Es probable que la mayoría de los casquillos con un diámetro exterior de más de 14 pulgadas y hasta aproximadamente 100 pulgadas de diámetro exterior sean piezas fundidas centrífugas. Estas piezas fundidas se pueden fabricar en longitudes que superan las 100 pulgadas. Sin embargo, las piezas fundidas centrífugas pequeñas también son artículos de gran volumen. Muchos de los cojinetes con bridas o piezas brutas de engranajes más grandes se fabrican mediante este método. Aunque son sensibles a la cantidad de producción, las tiradas pequeñas pueden resultar muy económicas. Los distribuidores de existencias mantienen inventarios de piezas fundidas centrífugas semiacabadas, principalmente en tamaños estándar y especialmente en aleaciones C95400 y C93200.

Todas las aleaciones están disponibles como barras de colada continua; La segregación de plomo generalmente no es un problema. Puede ser necesario aliviar tensiones en ciertas piezas fundidas con paredes muy delgadas, particularmente si la aleación es C95400, C95500 o C86300, para evitar la pérdida de holgura o tolerancia en la fabricación y el uso. Se encuentra disponible una amplia gama de tamaños de barras sólidas, tubulares y de sección transversal hechas a pedido. Los diámetros varían desde menos de 0,500 pulgadas hasta aproximadamente 14 pulgadas de diámetro exterior, en longitudes de hasta aproximadamente 13 pies. Es posible producir barras de paredes muy delgadas, a veces de menos de 1/4 de pulgada, dependiendo del diámetro exterior. Estos productos son ideales para su posterior fabricación utilizando máquinas herramienta automáticas.

Cantidades mayores de productos de fundición continua son considerablemente más económicas, pero nuevamente los distribuidores en stock absorben gran parte de esta carga, particularmente cuando se trata de aleaciones C95400, C93200 y C90300.

Las aleaciones forjadas de bronce fósforo (C51000, C52100, C52400, C54400) se utilizan a veces en aplicaciones de rodamientos. Estas aleaciones también están disponibles como piezas fundidas continuas en estado recocido. El bronce de fósforo forjado generalmente se limita a aproximadamente 3 pulgadas de diámetro exterior o menos. C54400 tiene el contenido de plomo más alto disponible, alrededor del 4%. No es posible extruir ni 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, ya que han sido trabajadas rigurosamente mediante extrusión, trefilado, laminado o forjado y se utilizan ampliamente 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 en gran medida 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 elaborados 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 y casas de cojinetes, tienen inventarios de bujes con acabado estándar, particularmente en aleación C93200. Estas piezas se producen en masa y están fácilmente disponibles.

Varios talleres mecánicos se especializan en la producción de rodamientos, particularmente en diseños no estándar y aleaciones críticas hechas a medida. Estos talleres operan sofisticados centros de mecanizado. Utilizando los mejores equipos disponibles, son capaces de lograr el más alto grado de precisión en la producción de piezas y mantener altos estándares de control de calidad de materiales. Estos establecimientos prestan servicios a los establecimientos OEM y a los departamentos de mantenimiento de corporaciones más grandes que optan por no fabricar sus propios rodamientos. Proporcionan un servicio económico y conocen perfectamente la tecnología y las fuentes de aleaciones para rodamientos que mejor se adaptan a la producción de un rodamiento determinado.

La ingeniería metalúrgica, aunque es en gran medida una ciencia, también es en gran medida un arte. La investigación, una 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 notables propiedades del cobre, el latón y el bronce han beneficiado a las industrias de todo el mundo gracias a su rendimiento confiable, disponibilidad general y calidad económica.