Clasificación de las aleaciones de cobre.
En la transmisión de fuerza se requiere una gran cantidad de cobre con alta conductividad, y se utiliza principalmente en alambres y cables de potencia, barras colectoras, transformadores, interruptores, enchufes y conectores.
Durante el proceso de transmisión de alambres y cables, se desperdicia energía eléctrica debido al calentamiento por resistencia. Desde la perspectiva de la conservación y la economía de energía, actualmente se están promoviendo en el mundo los mejores estándares de sección transversal de cables. En el pasado, los estándares populares determinaban el tamaño mínimo permitido de los cables únicamente desde la perspectiva de reducir la inversión única en instalación, con el fin de minimizar la sección transversal del cable y evitar un sobrecalentamiento peligroso a la corriente nominal requerida por el diseño. Aunque el coste de instalación de los cables tendidos según esta norma es bajo, el consumo de energía de las resistencias es relativamente grande durante el uso a largo plazo. El estándar de sección transversal óptima del cable considera integralmente los dos factores del costo único de instalación y el consumo de energía, y amplía adecuadamente el tamaño del cable para lograr el propósito de ahorrar energía y los mejores beneficios económicos integrales. Según los nuevos estándares, la sección transversal del cable suele ser más del doble que la de los estándares antiguos y se puede lograr un efecto de ahorro de energía de aproximadamente el 50%.
En el pasado, debido a la escasez de acero en China y considerando que la proporción de aluminio es sólo 30 veces mayor que la del cobre, se utilizó aluminio en lugar de cobre en las líneas aéreas de transmisión de alto voltaje con la esperanza de de reducir peso. Cables subterráneos. En este caso, el aluminio queda eclipsado por el cobre debido a su mala conductividad y al gran tamaño del cable.
Del mismo modo, también es una buena elección reemplazar el antiguo transformador de bobinado de aluminio por un transformador de bobinado de cobre eficiente y que ahorra energía.
Fabricación de automóviles
Las aleaciones de cobre tienen alta conductividad y resistencia y se utilizan ampliamente en la fabricación de motores. Las principales partes de cobre son el estator, el rotor y la cabeza del eje. En los motores grandes, los devanados deben enfriarse con agua o hidrógeno, lo que se denomina refrigeración interna doble por agua o motores refrigerados por hidrógeno, que requieren conductores huecos muy largos.
Los motores son grandes consumidores de energía eléctrica, representando aproximadamente el 60% del suministro eléctrico total. La factura eléctrica acumulada de un motor es muy elevada, alcanzando generalmente el coste original del motor en las primeras 500 horas, lo que equivale a entre 4 y 16 veces el coste en un año y 200 veces el coste durante toda la vida útil. Un pequeño aumento en la eficiencia del motor no sólo ahorra energía; también puede lograr importantes beneficios económicos. El desarrollo y la aplicación de motores de alta eficiencia son temas candentes en el mundo actual. Debido a que el consumo de energía dentro del motor proviene principalmente de la pérdida de resistencia del devanado, aumentar el área de la sección transversal del cable de cobre es una medida clave para desarrollar un motor eficiente; En comparación con los motores tradicionales, el uso de devanados de cobre aumenta entre un 25 y un 100. El Departamento de Energía de Estados Unidos está financiando un proyecto de desarrollo para producir rotores de motores mediante fundición de cobre.
Cables de comunicación
Desde la década de 1980, debido a las ventajas de una gran capacidad de carga, los cables ópticos han ido reemplazando a los cables de cobre en las líneas troncales de comunicación y se han promocionado y aplicado rápidamente. Sin embargo, todavía se necesitan grandes cantidades de cobre para convertir la energía eléctrica en energía luminosa y hacer llegar las líneas al usuario. Con el desarrollo de las comunicaciones, las personas dependen cada vez más de ellas y la demanda de cables ópticos y alambres de cobre también seguirá aumentando.
Circuitos residenciales
Con la mejora del nivel de vida de las personas y la rápida popularización de los electrodomésticos, la carga eléctrica de los residentes ha aumentado rápidamente. Como se muestra en la Figura 6.6, el consumo de electricidad residencial en 1987 fue de 26,96 mil millones de kilovatios hora (L kilovatio hora = 1 kilovatio hora) Diez años después, se disparó a 113,1 mil millones de kilovatios hora, un aumento de 3,2 veces. A pesar de esto, todavía existe una gran brecha en comparación con los países desarrollados. Por ejemplo, en 1995, el consumo de electricidad per cápita en Estados Unidos era 14,6 veces mayor que el de China, y el del Japón era 8,6 veces mayor que el de China. En el futuro, el consumo de electricidad residencial de China seguirá desarrollándose significativamente. Se espera que crezca 1,4 veces entre 1996 y 2005. La industria electrónica es una industria emergente. En el proceso de su vigoroso desarrollo, constantemente se desarrollan nuevos productos y nuevas áreas de aplicación del acero. Sus aplicaciones se han desarrollado desde dispositivos eléctricos de vacío y circuitos impresos hasta microelectrónica y circuitos integrados semiconductores.
Dispositivo de vacío eléctrico
Los dispositivos de vacío eléctricos son principalmente tubos transmisores de alta y ultra alta frecuencia, guías de ondas, magnetrones, etc. Requieren cobre libre de oxígeno de alta pureza y cobre libre de oxígeno reforzado con dispersión.
Circuito impreso
El circuito impreso de cobre utiliza una lámina de cobre como superficie y está adherido a una placa de plástico como soporte. El diagrama de cableado del circuito se imprime en la placa de cobre mediante un método fotográfico; ; mediante el grabado se elimina el exceso, dejando un circuito interconectado.
Luego taladre agujeros en la conexión entre la placa de circuito impreso y el exterior, inserte terminales de componentes discretos u otros componentes y suéldelos a este puerto, ensamblando así un circuito completo. Si se utiliza revestimiento por inmersión, todas las uniones se pueden soldar a la vez. De esta forma, para aquellas ocasiones que requieran un fino trazado de circuitos, como radios, televisores, computadoras, etc. , el uso de circuitos impresos puede ahorrar mucha mano de obra en el cableado y la fijación de circuitos, por lo que se usa ampliamente y requiere una gran cantidad de láminas de cobre; Además, para la conexión del circuito se necesitan diversos materiales de soldadura a base de cobre de bajo precio, bajo punto de fusión y buena fluidez.
Circuitos integrados
El núcleo de la tecnología microelectrónica son los circuitos integrados. Circuito integrado se refiere a un circuito miniaturizado que utiliza material de cristal semiconductor como sustrato (chip) y utiliza procesos especiales para integrar los componentes e interconexiones que componen el circuito en el interior, en la superficie o en el sustrato. Estos microcircuitos son miles de veces más pequeños en tamaño y peso que los circuitos de componentes discretos más compactos. Su aparición provocó grandes cambios en las computadoras y se convirtió en la base de la tecnología de la información moderna. Se han desarrollado circuitos integrados a muy gran escala, y el número de transistores que se pueden fabricar en un solo chip con un área más pequeña que el dedo meñique ha alcanzado los 100.000 o incluso más de un millón. La empresa informática de renombre internacional IBM (International Business Machines Corporation) ha logrado un gran avance al sustituir el aluminio por cobre en obleas de silicio para Internet. Este nuevo microchip hecho de cobre puede lograr una ganancia de eficiencia de 30, el tamaño del circuito puede reducirse a 0,12 micrones y el número de transistores integrados en un solo chip puede alcanzar los 2 millones. Esto ha creado una nueva situación para la aplicación del antiguo metal cobre en el campo de última tecnología de los circuitos integrados semiconductores.
Marco de conductores
Para proteger el funcionamiento normal de los circuitos integrados o circuitos híbridos, es necesario empaquetarlos durante el embalaje, y se saca una gran cantidad de conectores en el circuito; del cuerpo sellado. Se requiere que estos cables tengan cierta resistencia y formen el esqueleto de soporte del circuito integrado, que se denomina marco de cables. En la producción real, para la producción en masa a alta velocidad, el marco principal generalmente se estampa continuamente en la tira de metal en una disposición específica. Los materiales del marco representan 1/3 ~ L/4 del costo total de los circuitos integrados y la cantidad es muy grande, por lo tanto, se debe lograr un costo bajo;
Las aleaciones de cobre tienen precio bajo, alta resistencia, conductividad eléctrica y térmica, excelente maquinabilidad, soldabilidad y resistencia a la corrosión. Sus propiedades se pueden controlar dentro de una amplia gama mediante aleación y pueden cumplir mejor con los requisitos de rendimiento del marco de plomo, y se ha convertido en un material importante para el marco de plomo. Actualmente, el cobre es el material más utilizado en dispositivos microelectrónicos. Barcos
Muchas aleaciones de cobre, como el bronce de aluminio, el bronce de manganeso, el latón de aluminio, el bronce de estaño y zinc, el acero blanco y la aleación de níquel y cobre (Monel), se han convertido en materiales estándar para la construcción naval. Generalmente, el cobre y las aleaciones de cobre representan del 2 al 3 del peso de los buques de guerra y mercantes.
Las hélices de los buques de guerra y de la mayoría de los grandes buques mercantes están fabricadas en bronce aluminio o latón. Cada hélice de este gran barco pesa entre 20 y 25 toneladas. Las hélices de los portaaviones HMS Queen Elizabeth y HMS Queen Mary pesan cada una 35 toneladas. Los pesados ejes de popa de los grandes barcos suelen estar hechos de latón, al igual que los pernos cónicos de los timones y las hélices. Las aleaciones de acero y cobre también se utilizan ampliamente en salas de máquinas y calderas. El primer barco mercante de propulsión nuclear del mundo utilizó 30 toneladas de tubos de condensador de cobre. Los tubos de latón y aluminio se utilizan como grandes serpentines calefactores en tanques de petróleo. Hay 12 tanques de petróleo de este tipo en un barco de 654,38 millones de toneladas y el sistema de calefacción correspondiente es bastante grande. El equipamiento eléctrico del barco también es muy complejo. Los motores, los motores y los sistemas de comunicación se basan casi todos en cobre y aleaciones de cobre. Los camarotes de barcos grandes y pequeños suelen estar decorados con aleaciones de acero y cobre. Incluso para embarcaciones de madera, es mejor utilizar tornillos y clavos de aleación de acero (normalmente bronce al silicio) para fijar la estructura de madera. Estos tornillos pueden producirse en masa mediante laminación.
Para evitar que el casco sea contaminado por la vida marina y afecte la navegación, se suele utilizar un revestimiento de cobre como protección o pintura de cobre para solucionar el problema.
Durante la Segunda Guerra Mundial, para evitar que las minas magnéticas alemanas atacaran a los barcos, se desarrollaron dispositivos de minas antimagnéticas. Se ató una tira de cobre alrededor del casco de acero para neutralizar el campo magnético del barco, haciendo imposible que las minas detonaran. A partir de 1944, todos los barcos aliados, aproximadamente 18.000 barcos, estaban protegidos por este dispositivo desmagnetizador. Algunos grandes buques capitales requieren grandes cantidades de cobre para este fin.
Por ejemplo, uno de ellos utiliza alambre de cobre, mide 45 kilómetros de largo y pesa unas 30 toneladas.
Coches
El cobre utilizado en los coches es de 10~2i kg/coche, que varía dependiendo del tipo y tamaño del coche, representando alrededor de 6~9 del peso de el auto. El cobre y las aleaciones de cobre se utilizan principalmente en radiadores, tuberías de sistemas de frenos, dispositivos hidráulicos, engranajes, cojinetes, pastillas de freno, sistemas de alimentación y distribución de energía, arandelas y diversas juntas, accesorios y decoraciones. Entre ellos, el radiador es el que tiene una gran cantidad de acero. Los radiadores modernos de tubo y tira están hechos de tiras de latón soldadas entre sí y tiras finas de cobre dobladas para formar disipadores de calor.
Se han realizado muchas mejoras para mejorar aún más el rendimiento de los disipadores de calor de cobre y mejorar su competitividad en relación con los disipadores de calor de aluminio. En cuanto a los materiales, al cobre se le añaden oligoelementos para aumentar su resistencia y punto de reblandecimiento sin perder conductividad térmica, con lo que se reduce el espesor de la tira delgada y se ahorra el consumo de acero durante el proceso de fabricación, los tubos de cobre se sueldan con alta frecuencia o; láser El núcleo del radiador se ensambla con acero soldado en lugar de soldadura blanda, que es propensa a la contaminación por plomo. Los resultados de estos esfuerzos se muestran en la Tabla 6.2. En comparación con un radiador de aluminio soldado, el nuevo radiador de cobre es más ligero y significativamente más pequeño en las mismas condiciones de disipación de calor, es decir, caída de presión del aire y del refrigerante. Sumado a la buena resistencia a la corrosión y la larga vida útil del acero, las ventajas de los radiadores de cobre son aún más obvias. Además, para proteger el medio ambiente y promover y desarrollar vigorosamente los vehículos eléctricos, la cantidad de acero utilizada en cada vehículo aumentará exponencialmente.
Ferrocarril
La electrificación ferroviaria requiere grandes cantidades de cobre y aleaciones de cobre. Cada kilómetro de líneas aéreas requiere más de 2 toneladas de cables de cobre con formas especiales. Para mejorar su resistencia, a menudo se añade una pequeña cantidad de cobre (aproximadamente 1) o plata (aproximadamente 1). Además, los motores, rectificadores, controles, frenos, sistemas eléctricos y de señalización de los trenes dependen del cobre y aleaciones de cobre para funcionar.
Aviones
La navegación aérea también es inseparable del cobre. Por ejemplo, los sistemas de cableado, hidráulicos, de refrigeración y neumáticos de los aviones requieren cobre, los tubos de bronce y aluminio se utilizan para los asientos y los cojinetes del tren de aterrizaje, las aleaciones de acero diamagnético se utilizan para los instrumentos de navegación y muchos instrumentos utilizan componentes elásticos rotos con cobre. . Los productos industriales ligeros están estrechamente relacionados con la vida de las personas y se presentan en muchas variedades. Debido a que el cobre tiene buenas propiedades generales, se puede encontrar en todas partes. A continuación se muestran algunos ejemplos:
Aire acondicionado y congeladores
La función de control de temperatura de los aires acondicionados y congeladores se logra principalmente mediante la evaporación y condensación de tubos de cobre en intercambiadores de calor. El tamaño y el rendimiento de transferencia de calor de los tubos de transferencia de calor determinan en gran medida la eficiencia y miniaturización de todo el dispositivo de aire acondicionado y refrigeración. Todas estas máquinas utilizan tubos de cobre perfilados con alta conductividad térmica. Basándonos en la excelente procesabilidad del acero, hemos desarrollado y producido tubos de radiador de alta aleta con ranuras internas, que pueden usarse para fabricar intercambiadores de calor en acondicionadores de aire, refrigeradores, productos químicos y dispositivos de recolección de calor residual. La conductividad térmica total del nuevo intercambiador de calor se puede aumentar de 2 a 3 veces la de los tubos ordinarios y de 1,2 a 1,3 veces la de los tubos ordinarios de aletas bajas. Usado en el país, puedes ahorrar 40.
Relojes
Produce relojes y aparatos de relojería, la mayoría de los cuales están hechos de latón mecánico. La aleación contiene 1,5-2 plomo, tiene buenas propiedades de procesamiento y es adecuada para la producción en masa. Por ejemplo, los engranajes se cortan a partir de largas varillas de latón extruidas, las ruedas planas se estampan a partir de tiras del espesor correspondiente y las esferas, tornillos y juntas de los relojes grabados se hacen de latón u otras aleaciones de cobre. Una gran cantidad de relojes baratos son de bronce (bronce de estaño y zinc) o de plata niquelada (cobre blanco). Algunas campanas famosas están hechas de acero y aleaciones de cobre. La manecilla de las horas del reloj británico Big Ben está hecha de una varilla sólida de bronce y el minutero está hecho de un tubo de cobre de 14 pies de largo.
Una fábrica de relojes moderna, utilizando aleación de cobre como material principal, utilizando prensas y moldes de precisión, puede producir entre 10.000 y 30.000 relojes cada día a un coste muy bajo.
Fabricación de papel
En una sociedad donde la información cambia constantemente, el consumo de papel es muy grande. La superficie del papel parece simple, pero el proceso de fabricación del papel es muy complicado y requiere muchos pasos y muchas máquinas, incluidos refrigeradores, evaporadores, batidores, máquinas de papel, etc. Muchas piezas, como diversos tubos de intercambio de calor, rodillos, varillas de impacto, bombas de semifluido, pantallas, etc., están hechas en su mayoría de aleaciones de acero.
Por ejemplo, utilizando una máquina de papel Fourdrinier, se pulveriza la pulpa preparada sobre un tejido de malla de movimiento rápido con malla muy fina (malla 40-60).
La malla está tejida con alambre de latón y bronce fosforado, tiene un ancho grande, generalmente más de 20 pies (6 metros), y debe ser completamente recta. La malla se mueve sobre una serie de pequeños rodillos de latón o cobre y, a medida que pasa con la pulpa rociada en la parte superior, se aspira la humedad desde abajo. Las cribas vibran simultáneamente, uniendo las pequeñas fibras de la pulpa. Los tamaños de malla de las grandes máquinas de papel son muy grandes, alcanzando 26 pies y 8 pulgadas (8,1 metros) de ancho y 65.438.000 pies (30,5 metros) de largo. La pulpa húmeda no sólo contiene agua sino también productos químicos utilizados en el proceso de fabricación del papel, que son altamente corrosivos. Para garantizar la calidad del papel, los requisitos para los materiales de malla son muy estrictos: no sólo deben tener alta resistencia y elasticidad, sino que las aleaciones de cobre son totalmente capaces de resistir la corrosión de la pulpa;
Impresión
En la impresión, las planchas de cobre se utilizan para la fabricación de planchas fotográficas. La placa de cobre pulida se sensibilizó con una emulsión fotosensible y se fotografió sobre ella. Es necesario calentar la placa de cobre expuesta para endurecer el pegamento. Para evitar que se ablande por calentamiento, el cobre suele contener una pequeña cantidad de plata o arsénico para aumentar la temperatura de ablandamiento. Luego se graba la placa para crear una superficie impresa con un patrón de puntos irregulares.
En las máquinas tipográficas automáticas, los bloques tipográficos de latón se disponen para hacer planchas, que es otro uso importante del cobre en la impresión. Los bloques tipográficos suelen estar hechos de latón con plomo, a veces de cobre o bronce.
Medicina
En la industria farmacéutica, diversos equipos de vaporización, ebullición y aspiración están hechos de cobre puro. El cobre zinc-níquel se utiliza ampliamente en dispositivos médicos. La aleación de cobre también es un material común para las monturas de gafas. Recientemente se han descubierto algunos materiales con temperaturas críticas más altas, denominados materiales superconductores de alta temperatura, en su mayoría óxidos compuestos. El famoso óxido a base de cobre (YB2 Cu3 O7) descubierto anteriormente tiene una temperatura crítica de 90 K y puede funcionar a la temperatura del nitrógeno líquido. Sin embargo, aún no se han obtenido materiales con temperaturas críticas cercanas a la temperatura ambiente. Además, es difícil transformar estos materiales en objetos grandes y la densidad de corriente a través de ellos para mantener la superconductividad no es lo suficientemente alta. Por lo tanto, todavía no se ha aplicado en situaciones de alto voltaje y requiere más investigación y desarrollo.
En la tecnología aeroespacial, cohetes, satélites y transbordadores espaciales, además de los sistemas de control microelectrónicos y la instrumentación, muchos componentes clave también utilizan cobre y aleaciones de cobre. Por ejemplo, las paredes de la cámara de combustión y la cámara de empuje de los motores de cohetes se pueden enfriar utilizando la excelente conductividad térmica del acero para mantener la temperatura dentro del rango permitido. El revestimiento de la cámara de combustión del cohete número 5 de Arion está hecho de cobre, plata y oro, y en este revestimiento están mecanizados 360 canales de refrigeración. Cuando se lanza el cohete, se introduce hidrógeno líquido para enfriarlo.
Además, las aleaciones de cobre también son materiales estándar para componentes portantes en estructuras satélite. Los paneles solares de los satélites suelen estar hechos de cobre y varios otros elementos.
Las aleaciones de cobre son materiales metálicos.