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Serie M / Z - Aleaciones Cobre - Zinc

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Las aleaciones de Cobre – Zinc (Latones) están ampliamente extendidas. Los latones constituidos a partir de mayoritariamente fase α, son muy buenos para ser deformados en frío. Así mismo, los constituidos de fase β, que contienen plomo como relajadores de tensión, tienen una excelente capacidad de mecanizado. Es digna de mención también su elevada resistencia a la corrosión.

La denominación de “Latón” se da, según la norma DIN 1718, a todas las aleaciones Cobre – Zinc con más del 50% de cobre en peso. Además de cobre y zinc pueden contener hasta un 4% en peso de plomo. Las aleaciones de elevado contenido en cobre (por encima de un 72%) también son conocidas como Tombak.

Del diagrama Cobre – Zinc (veáse apartado Diagrama de fases ) se puede percibir que las aleaciones se pueden clasificar según su microestructura en tres grupos: Latones – α con un contenido de cobre por encima del 61% en peso, Latones – (α + β) con un contenido en cobre del 54 al 61% en peso y Latones – β con un contenido del 50 al 54% en peso de cobre(sólo técnicamente utilizable con la adición de otros elementos de aleación). Con la adición creciente de zinc las aleaciones se endurecen, el color se vuelve más claro a medio dominio de α, y cambia de rojo a dorado hacia un amarillo claro. Desde el principio de la fase β el color adquiere un brillo rojizo, de manera que a partir del 70% de peso o más de cobre vuelve a haber un cambio de tonalidad que tiende hacia el amarillo dorado.

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Diagrama de fase del sistema binario Cu-Zn (Raynor, 1949)

Únicamente las aleaciones Cobre - Zinc con más de un 54% en peso de cobre son técnicamente importantes. Por lo tanto en la imagen sólo se describe la parte rica en cobre del diagrama de fase Cu – Zn. Por encima de la línea ADH en la región de la mezcla fundida predomina la disolución total de los dos componentes, cobre y zinc. En la parte izquierda del diagrama, hasta un 67% del cobre, predomina el dominio de la fase α. A su derecha encontramos las regiones correspondientes a las fases (α + β) y β.

Cuando se enfría una mezcla fundida con un contenido del 70% en peso de cobre, se solidifican a los 950ºC los primeros cristales de fase α. A 920ºC termina la solidificación. Un enfriamiento posterior hasta temperatura ambiente supone la obtención de una microestructura únicamente compuesta de fase α. Mezclas fundidas de un 53% de peso en cobre precipitan cristales puros de fase β al enfriar por debajo de la línea DH. Por debajo de línea CG esta totalmente compuesto de cristales fase β. Un enfriamiento posterior provoca a los 460ºC la aparición de una cristales fase β’, a temperaturas más bajas cristales fase β. Los cristales fase β y fase β’ no se llegan a distinguir en la microestructura, aunque a efectos de propiedades puede ignorarse su aparición.

Si se enfría una mezcla con un 64% de cobre, a los 915ºC se empiezan a solidificar cristales fase α por debajo la línea AD. Al alcanzar la línea BC a los 902ºC, ocurre una reacción entre la mezcla restante y los cristales fase α, sin variación en la temperatura, donde aparece una segunda clase de cristales, en este caso fase β. En esta composición, tras más enfriamiento aparecen de forma conjunta cristales α y β, que con el descenso progresivo de la temperatura tienden a la formación de más cristales tipo fase α. A 700ºC la aleación alcanza la línea BE. Los cristales β, ricos en zinc desaparecen completamente al enfriar lentamente, mientras el cristal de fase α incrementa la capacidad de disolución del zinc. Si se enfría de forma rápida, lo cual es la norma habitual, los cristales tipo β no tienen tiempo de disolverse completamente y quedan como restos incluso hasta cuando se alcanza la temperatura ambiente. Si se calentara posteriormente justo por debajo de la línea BE se pueden redisolver de forma paulatina los cristales fase β en un periodo de tiempo relativamente corto. Si se calentara por encima de ésta línea, de los cristales fase α se precipitarían de nuevo cristales fase β.

Todo esto es muy importante a la hora de trabajar con aleaciones en la frontera de los cristales fase α y fase β. Así se podría, por ejemplo, dar el caso de un latón con un contenido en cobre del 63% que tras un enfriamiento rápido contendiera cristales fase β. De igual forma a elevadas temperaturas de recocido o de otros tratamientos térmicos, al exceder la línea BE se volvieran a formar cristales fase β. Esto implica que el diagrama de fase no sólo es importante a la hora de seleccionar la aleación, sino también es importante para su manipulación en caliente y su trabajo posterior.

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Estructura de un latón β, pulido

Una aleación cobre – zinc compuesta únicamente de cristales fase α (Imagen superior izquierda) se puede deformar bien en frío, aunque son problemáticos para el mecanizado. Por otro lado el mecanizado resulta excelente en latón totalmente compuesto de fase β (Imagen superior derecha), aunque difícilmente se puede deformar en frío. La deformación en caliente del latón α resulta mucho más problemática que la del latón tipo β. Como se ve en las imágenes, se distinguen de forma clara los tipos de cristales en la microestructura. Para los cristales fase α son características las líneas de macla.

Aunque la línea de saturación de los cristales fase α se extiende del 67,5% peso en cobre (punto B) hasta el 61% en peso de cobre (punto E), en la práctica ocurre que debido a los enfriamientos tan rápidos que tienen lugar, la solubilidad no aumenta hasta el punto de llegar a un equilibrio, así que ocasionalmente se pueden encontrar cristales fase β en la fase α.

De más interés a nivel técnico son las aleaciones tipo (α + β). Son extraordinariamente buenas para ser mecanizadas. Su microestructura puede ser granular o bien acicular (Imágenes inferiores), lo cual tiene poca influencia en sus propiedades. Con un descenso en la proporción de β y un ascenso en la de α, se consiguen estados estructurales con una combinación interesante de buena capacidad de mecanizado y excelente deformabilidad en frío.

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Estructura granular (α + β)., atacado y pulido
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Estructura acicular (α + β)., atacado y pulido

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En la tabla siguiente hay un resumen de las aleaciones Cobre – Zinc (Latón) presentes en el catálogo de Wieland. También se describen los principales campos de aplicación de nuestras aleaciones binarias Cobre – Zinc. Se incluyen también las que contienen plomo, dado que el plomo está casi siempre contenido en la fase (α+β). Aparece como otra fase separada en forma de inclusiones de tonalidad gris – azulada, debido a su baja solubilidad. Las adiciones de plomo producen pocas variaciones en las propiedades mecánicas, sin embargo facilitan el mecanizado de los materiales. El efecto de otras adiciones de elementos se describe en la serie S.

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Aleaciones Cobre -Zinc (Latones) de Wieland
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M05 / M10 / M15 / M20 – Los materiales de este grupo de aleaciones se definen por su buena deformabilidad en frío y su buena resistencia a la corrosión. Su uso se concentra mayormente en la industria de la joyería y los productos de metal (base para el oro laminado) así como en decoración. Otras aplicaciones serian en la industria electrónica (muelles de contacto sencillos para la instalación de interruptores, aplicaciones domésticas, enchufes y conectores para la automoción), la relojería (manecillas), la industria de la automoción (tubos de M20 para sistemas de frenado neumático) y tecnologías de control (manómetros).

Son materiales de precio competitivo con buena conductividad eléctrica y moderadas propiedades elásticas. Se usan también cintas de M10 y M15 como productos semiacabados para componentes electrónicos.

M28 / Shopper 019 Bolso MonnariBag4550 Grey Zapatos es Bolsos qUGSpzMVM30 / M33 – Estos materiales presentan una excelente deformación en frío y resultan muy buenos para soldadura dura. Se utilizan principalmente en la industria de productos de metal para trabajos de embutición profunda. Otros casos típicos de aplicación serian los instrumentos musicales de viento, iluminación o componentes de muelle en la industria electrónica y elementos laminados.

M36 / M37 / M38 – Las aleaciones de este grupo son las comúnmente usadas en la industria de productos del metal para las deformaciones en frío, como las embuticiones, conformado por presión, estampación o rebordeado. Se sirven en estado blando de diversa forma, adaptadas al procesado respectivo a la cual están destinadas. Ejemplos de aplicaciones son utensilios huecos de todo tipo, para mesas, pies de lámpara, fundas de mechero, tubos para lámparas o bolígrafos, cremalleras o componentes de instalación para la industria electrónica.

Z10 / Z11 / Z12 – La baja proporción de plomo contenida en estas aleaciones facilita el trabajo de mecanizado. Estos materiales se usan, en consecuencia, donde además de deformación en frío se someta el material a procesos de mecanizado. Ejemplos de aplicaciones serian componentes embutidos grabados, componentes para la industria electrónica, en el ensamblaje de maquinaria y la ingeniería de precisión.

Z20 / Z22– Este tipo de materiales tienen muy buena capacidad de deformación en caliente (latón forjado) debido a su elevado contenido en fase β. Pueden ser doblados y conformados en cierta medida, pero no tienen tolerancia para llegar a ser embutidos de forma profunda. La capacidad de mecanizado se ve reducida ante otras aleaciones con contenidos más elevados de plomo. El Z20 se usa principalmente en la industria de las cerraduras y los conectores así como componentes para maquinaria, el Z22 se usa en cintas para el troquelado en electrónica o la ingeniería de precisión.

Z21 – Un material de uso generalizado allí donde se exigen elevados requerimientos en el mecanizado automatizado que además aporta deformabilidad sin presencia de corte (prensado, estampado, acampanado). Las aplicaciones principales se encuentran principalmente en la electrónica y la ingeniería de precisión.

Z23 – Aleación versátil y utilizable sobretodo en mecanizado automatizado. La composición corresponde a la denominación americana C36000 para el “Free Machining Brass” (Latón de decoletaje) del ASTM B16.

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Z24 – Este material ofrece un mecanizado automatizado aceptable. Debido a su bajo contenido en plomo se usa sobretodo en componentes para válvulas que estén en contacto con agua potable.

Z29 / Z30 / Z31 / Z32 / Z33 – Estos son los típicos materiales usados en el corte. Tienen muy poca deformabilidad en frío, aunque deforman bien en caliente. El Z29 (servido en alambre, perfil de alambre o barra) tiene una conformabilidad en frío satisfactoria. El Z30 es (servido en planchas y cintas) una de las aleaciones más usadas en el mecanizado (fresado, cepillado, corte y perforación) y se trabaja de esta forma en la fabricación de agujas, pletinas o engranajes sobretodo en la industria relojera y la ingeniería de precisión. El Z31 es usado en componentes prensados en caliente debida a su buena conformabilidad a elevadas temperaturas y la producción de formas complicadas. El Z32 es una aleación de decoletaje, extraordinaria para procesos de perforado, y el Z33 es la materia prima para el mecanizado de arranque de viruta de barra, alambre y perfiles en torno. De este material se fabrican componentes torneados de todo tipo para aplicaciones en todas las ramas de la industria.

Z35 / Z36 – Estas aleaciones de buena mecanización están protegidas contra el fenómeno de la dezincificación. El Z35 se usa en la producción de componentes mecanizados para válvulas, destinadas al paso de aguas ácidas. El Z36 se usa en componentes prensados en caliente para el mismo fin. El Z36 es, en este caso, más fácil de trabajar por forjado que el Z35.

Z40 – Este material esta casi exclusivamente compuesto por cristales fase β lo cual le da una excelente deformabilidad en caliente. Se sirve exclusivamente en perfiles prensados y se usa de forma predominante en la industria de la construcción.

Z90 – Con esta aleación (estructura fase α y contenido muy bajo en plomo) se consigue una combinación muy favorable de deformabilidad en frío y capacidad de mecanizado. En forma de tubo se utiliza en cilindros para bombas hidráulicas o neumáticas y para la producción de componentes con determinados requisitos sanitarios.

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La resistencia a tracción, limite de cedencia, elongación porcentual tras fractura y dureza dependen fuertemente del contenido en cobre. En la imagen inferior izquierda se observa esta dependencia para una probeta blanda y una deformada en frío al 50% (dureza resorte). Las aleaciones con elevado contenido en cobre se endurecen en menor grado que las aleaciones con menos contenido en cobre aplicándose la misma deformación en frío en los dos casos. Con la aparición de cristales fase β en la estructura (en composiciones menores del 63% en peso de Cobre) los valores de resistencia se disparan hacia arriba, y la Elongación, en el caso de la blanda, se desploma hacia abajo.

El cambio en las propiedades mecánicas dependiendo del grado de deformación en frío se puede ver en la imagen inferior derecha para tres aleaciones cobre-zinc importantes: M15, M37 y M30.

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Propiedades de resistencia de las aleaciones Cu-Zn en dependencia del contenido de cobre
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Endurecimiento de los materiales Cu-Zn por deformación en frío: M15
Scotchamp; Manga Negro Camisetas Soda Larga Hombre Weras Textil c5Ljq34AR Endurecimiento de los materiales Cu-Zn por deformación en frío: M37
Endurecimiento de los materiales Cu-Zn por deformación en frío: M30
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En las siguientes imágenes se observan las curvas de reblandecimiento para estas mismas aleaciones después de deformaciones del 25% hasta el 50% después de un recocido de 3 horas.

M15, deformación del 50%
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M37, deformación al 25%
M37 deformación al 50%
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M30 deformación al 25%
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Para las aleaciones M15 y M37 también se da una información relacionada con el tamaño de grano, referente a que dependiendo de las condiciones del tratamiento térmico se pueden conseguir tamaños de grano medio diferentes. Esto es muy importante, para chapa y cintas que deben ser trabajadas posteriormente mediante embutición, repujado o estampado.

Dependiendo de los requerimientos que se le pide al material de partida, deben condicionarse las cualidades “blandas”, mediante dureza y tamaño de grano. Estas dos propiedades o características condicionan simultáneamente las chapas de latón blando. Como más blanda la chapa, más grande será el tamaño de grano, como más fino el grano, más dura será la chapa. Un grano muy fino resultará en una superficie pulida una vez salido del procesado, lo cual puede ahorrar costes respecto a un pulido adicional a posteriori. Sin embargo un material en estas circunstancias se deja deformar más difícilmente debido a la elevada dureza. Por otro lado, si se requieren chapas muy blandas se deberá aplicar tratamientos térmicos de recocido a temperaturas más elevadas o durante períodos de tiempo más largos. Estos darán como resultado un grano mayor en la estructura. Para tener en cuenta las diferentes peticiones, las chapas y láminas de M30 a M38 se sirven en 4 calidades, o tamaños de grano, diferentes, que se diferencian por el tamaño de grano que poseen. La siguiente tabla nos da los posibles usos para cada calidad de tamaño de grano:

W Chez Air Sarenza297412 Run SenegroDeportivas Huarache Nike GSUVpMqz Rangos de tamaño de grano(calidades) para latones blandos
Depresión de Erichsen en cintas blandas de M37(valores de referencia)

Para valorar de forma práctica la capacidad de deformación de la chapa, uno de los métodos de análisis utilizados es el test de Erichsen (prueba de copa o de ahuecamiento de Erichsen). La desventaja es, que depende de la estructura, sobretodo del tamaño de grano. Con el tamaño de grano creciente las cintas blandas dan valores de ahuecamiento más elevados.

Esta correlación se puede observar para el M37 en la imagen siguiente. Otras aleaciones cobre – zinc, mientras se encuentren entre los límites de la fase α tienen valores similares en estado blando.

Gráfico de recristalización para el M37(Dureza)(Fischer y Voβkühler,1956).

La relación total entre valores de resistencia, temperaturas de recocido y deformaciones se puede observar en el diagrama de recristalización. Como ejemplo se puede ver en la imagen izquierda, la dependencia entre la dureza (HBS) de la temperatura de recocido y la deformación ε. Para deformaciones grandes el ablandamiento empieza a una temperatura de recocido de 200ºC, mientras que para deformaciones más pequeñas se inician a los 300ºC.

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Gráfico de recristalización para el M37(Tamaño de grano)(Fischer y Voβkühler,1956).

Para deformaciones en frío más importantes, se hace un tratamiento de recocido para relajación de tensiones internas dado que se acumulan tensiones internas nocivas, después de la deformación, en el producto semiacabado, sin que haya una perdida significativa de resistencia. Las temperaturas habituales de relajación de tensiones para las aleaciones cobre – zinc se sitúan por los 300ºC.Botas Baja Mujer Espace Zapatos Caña Dorpin De Negro D9IE2WHY

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Las posibles formas de aparición del fenómeno de la corrosión están descritas en el siguiente enlace .

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