Lo que realmente significan los nombres
El cobre nunca se vende como material único. El contenido de oxígeno divide el cobre comercial de alta-conductividad en tres familias: cobre libre de oxígeno-, que casi no contiene oxígeno; cobre desoxidado, en el que se elimina el oxígeno mediante una adición de fósforo y que por tanto contiene fósforo residual; y cobre de brea resistente electrolítico, en el que una cantidad controlada de oxígeno permanece en el metal en forma de óxido cuproso. La frase cobre bajo-oxígeno se utiliza vagamente en el comercio para describir la familia desoxidada o un grado de brea resistente con un nivel de oxígeno más bajo, y esa ambigüedad es la fuente de la mayoría de las disputas sobre especificaciones.
La consecuencia práctica es simple. El oxígeno del cobre no es inofensivo: a alta temperatura reacciona con el hidrógeno de la atmósfera reductora del horno, un fundente de soldadura fuerte o un gas protector, y el vapor que se forma dentro del metal genera una presión que lo agrieta. Esta es la fragilización por hidrógeno y es la única propiedad que decide qué familia debe utilizar un componente.
Designaciones y límites de composición
| Designación | Nombre | Cobre, % | Oxígeno / desoxidante |
|---|---|---|---|
| C10100 | Cobre electrónico sin oxígeno- | 99,99 minutos | Oxígeno 0,0005 máx. |
| C10200 | Cobre libre de oxígeno- | 99,95 minutos | Oxígeno 0,001 máx. |
| C11000 | Cobre electrolítico de brea tenaz | 99,90 minutos | Oxígeno típicamente 0,02-0,04 |
| C12200 | Fósforo desoxidado cobre con alto contenido de fósforo residual | 99,90 minutos | Fósforo 0,015-0,040 |
| C14500 | Cobre telurio | 99,90 minutos | Telurio 0,40-0,70, fósforo 0,004-0,012 |
Las varillas de cobre para fines eléctricos normalmente se suministran según una norma de varilla como la ASTM B49, que especifica el grado, el temple y la conductividad eléctrica, mientras que los límites de composición son los de la norma de grado de cobre correspondiente. La varilla se produce mediante colada y laminación continua, o por extrusión, y se suministra en bobinas o tramos rectos para embutición y mecanizado.
Cómo se forman las dos familias
La diferencia en el contenido de oxígeno es una diferencia en las prácticas de fundición y fundición más que en el refinado.
El cobre libre de oxígeno-se funde y se cuela bajo una atmósfera protectora o bajo una cubierta de carbón que excluye el oxígeno de la fusión, y el oxígeno residual se mantiene por debajo del nivel en el que se forma el óxido cuproso. El resultado es un metal libre de partículas de óxido, con una estructura que se mantiene sana en una atmósfera reductora.
El cobre de brea resistente electrolítico se funde y se funde al aire, y el nivel de oxígeno se controla deliberadamente mediante polarización, por lo que permanece una fina dispersión de óxido cuproso en la estructura fundida. Esta es una ruta económica y altamente conductora, pero el óxido es exactamente lo que reacciona con el hidrógeno a alta temperatura.
El cobre desoxidado con fósforo utiliza fósforo para combinarse con oxígeno, por lo que el metal está libre de óxido pero contiene fósforo residual. La conductividad es ligeramente menor que en las familias de brea dura y libre de oxígeno-porque el fósforo es un conductor fuerte del tipo incorrecto, dentro de un conductor.
El cobre telurio es un grado de maquinabilidad: el telurio forma partículas que rompen las virutas, por lo que la aleación se mecaniza mucho más libremente que el cobre puro, a costa de una pequeña pérdida de conductividad.
Fragilización por hidrógeno: la propiedad decisiva
Cuando el cobre-que contiene oxígeno se calienta en hidrógeno o en cualquier atmósfera reductora, el hidrógeno se difunde y reduce el óxido cuproso a cobre y vapor. El vapor no puede escapar, por lo que genera presión en las partículas de óxido y separa los límites de los granos, y el metal falla de manera quebradiza sin deformación visible. El riesgo está presente en el recocido brillante, en la soldadura fuerte en hornos, en la sinterización y en cualquier servicio que implique hidrógeno caliente.
La susceptibilidad a la fragilización por hidrógeno se evalúa mediante los métodos de prueba de ASTM B577, en los que las muestras se calientan en hidrógeno y luego se examinan para detectar grietas en los límites de grano-, y la microestructura de referencia se compara con las placas estándar de ese documento. En la adquisición, la expresión práctica del requisito es una cláusula como cobre libre de oxígeno-hasta C10200, que es suficiente para mantener el material fuera de la familia susceptible.
| Comportamiento | C10200 libre de oxígeno- | Paso difícil C11000 | DHP-C12200 |
|---|---|---|---|
| Reducción de-atmósfera recocida o soldadura fuerte | Adecuado | No apto | Adecuado |
| Riesgo de fragilización por hidrógeno | muy bajo | Alto | muy bajo |
| Conductividad eléctrica | 101 % nominal SIGC | 101 % nominal SIGC | Alrededor del 85 % SIGC |
| Conductividad térmica | Aproximadamente 390 W/(m·K) | Aproximadamente 388 W/(m·K) | Ligeramente inferior a C11000 |
| maquinabilidad | Pobres chips gomosos | Pobres chips gomosos | Pobre; grado de telurio preferido |
| Posición de costos típica | más alto | Más bajo | Intermedio |
La conductividad eléctrica es esencialmente la misma para C10200 y C11000; la elección entre ellos la decide el proceso térmico, no la conductividad. Cuando se especifica cobre desoxidado con fósforo, el requisito de conductividad debe reducirse para igualar el grado, razón por la cual el tubo DHP se utiliza para plomería e intercambiadores de calor en lugar de barras colectoras.
Aplicaciones de cada familia
C10100 y C10200 sin oxígeno-: componentes de vacío y microondas, cavidades y guías de ondas de radio-frecuencia, equipos de rayos X-y haces de electrones-, sellos de alto-vacío, estabilizadores superconductores, piezas de instrumentos y semiconductores, y cualquier componente de cobre soldado o recocido brillante.
Paso resistente electrolítico C11000: alambres y cables, barras colectoras, devanados de motores y transformadores, láminas y tubos de uso general, tubos de plomería y piezas de transferencia de calor que no se procesan en atmósferas reductoras.
DHP C12200: tubos de agua y gas, tubos de condensadores e intercambiadores de calor, techos y fabricación en general donde se busca conformabilidad y resistencia a la corrosión y la conductividad es secundaria.
Cobre telurio C14500: terminales mecanizados, soportes de electrodos, puntas de contacto y piezas-conductoras de corriente producidas en tornos automáticos.
Notas de Compra e Identificación
Cite el grado y el estándar juntos, por ejemplo,-varilla de cobre libre de oxígeno según ASTM B49 en grado C10200, de modo que los requisitos de composición y del producto sean fijos.
Pregunte por el contenido de oxígeno en el certificado de la fábrica en lugar de confiar únicamente en el nombre del grado, ya que las descripciones de oxígeno bajo- varían según el proveedor.
Especifique la conductividad por separado del grado e indique el temple, porque la conductividad se mide en el producto terminado y depende del recocido.
Para cualquier componente que vaya a soldarse o recocerse en una atmósfera reductora, se requiere una evaluación de fragilidad por hidrógeno mediante los métodos de ASTM B577.
Mantenga las existencias de brea dura y libre de oxígeno-separadas en el almacén, ya que las dos familias de grados parecen idénticas y una confusión-solo se descubre cuando una junta se agrieta.
Preguntas frecuentes
P: ¿El cobre con bajo contenido de oxígeno-es lo mismo que el cobre sin oxígeno-?
No. El cobre libre de oxígeno-es una familia de grados definida con un límite de oxígeno muy bajo, como el C10200 con un 0,001 % de oxígeno máximo. Bajo-oxígeno es una descripción comercial que puede referirse a cobre desoxidado que contiene fósforo o a un grado de brea tenaz controlado, y la diferencia es importante siempre que la pieza se caliente en una atmósfera reductora.
P: ¿El cobre libre de oxígeno-conduce mejor la electricidad?
La conductividad del cobre libre de oxígeno-y del cobre de brea resistente es prácticamente la misma, ambos nominalmente tienen alrededor del 101 % de IACS en estado recocido. La ventaja de la familia libre de oxígeno-es la estabilidad metalúrgica durante el procesamiento, no la conductividad.
P: ¿Cómo se puede evitar la fragilización por hidrógeno?
Utilizando cobre-libre de oxígeno para componentes soldados o recocidos en hidrógeno u otras atmósferas reductoras, y verificando el contenido de oxígeno y los resultados de la evaluación ASTM B577. Los componentes ya fabricados en cobre resistente deben procesarse en una atmósfera inerte u oxidante.
P: ¿Qué calidad es mejor para mecanizar?
Cobre telurio C14500. El cobre puro, con cualquier nivel de oxígeno, produce virutas largas y gomosas y un acabado superficial deficiente; la adición de teluro rompe el chip y permite un mecanizado de alta-velocidad, con una modesta reducción de la conductividad.
P: ¿Por qué se utiliza cobre desoxidado con fósforo para tubos pero no para barras colectoras?
El fósforo elimina el oxígeno y hace que el metal sea seguro para soldar, lo cual es valioso en tubos. También reduce la conductividad eléctrica a aproximadamente el 85 % IACS, por lo que el grado no es adecuado cuando la capacidad de carga de corriente por unidad de sección es el factor de diseño.
P: ¿Qué debe aparecer en el certificado de varilla de cobre?
El grado y el estándar, el número de calor, el temple, los análisis de cobre y oxígeno, la conductividad eléctrica y los resultados de las pruebas mecánicas. Para los grados-sin oxígeno, una declaración de fragilidad por hidrógeno o un resultado de prueba es un requisito adicional normal.
