El cobre libre de oxígeno ( OFC ) o cobre de alta conductividad térmica libre de oxígeno ( OFHC ) es un grupo de aleaciones de cobre forjado de alta conductividad que se han refinado electrolíticamente para reducir el nivel de oxígeno a 0,001 % o menos. [1] [2] El cobre libre de oxígeno es un grado premium de cobre que tiene un alto nivel de conductividad y está prácticamente libre de contenido de oxígeno. El contenido de oxígeno del cobre afecta sus propiedades eléctricas y puede reducir la conductividad.
El cobre libre de oxígeno se especifica normalmente según la base de datos ASTM/ UNS . [3] La base de datos UNS incluye muchas composiciones diferentes de cobre eléctrico de alta conductividad . De ellas, tres se utilizan ampliamente y dos se consideran libres de oxígeno:
El cobre de alta conductividad térmica libre de oxígeno (OFHC) se utiliza ampliamente en criogenia . El OFHC se produce mediante la conversión directa de cátodos refinados seleccionados y fundiciones bajo condiciones cuidadosamente controladas para evitar la contaminación del metal puro libre de oxígeno durante el procesamiento. El método de producción de cobre OFHC garantiza un grado extra alto de metal con un contenido de cobre del 99,99%. Con un contenido tan pequeño de elementos extraños, las propiedades inherentes del cobre elemental se destacan en un alto grado. En la práctica, el contenido de oxígeno es típicamente de 0,001 a 0,003% con un nivel máximo total de impurezas de 0,03%. Estas características son alta ductilidad , alta conductividad eléctrica y térmica , alta resistencia al impacto , buena resistencia a la fluencia , facilidad de soldadura y baja volatilidad relativa en condiciones de vacío ultra alto . [4]
La conductividad generalmente se especifica en relación con el Estándar Internacional de Cobre Recocido de 1913 .5,8 × 10 7 S / m . Los avances en el proceso de refinación ahora producen cobre OF y ETP que pueden cumplir o superar el 101 % de este estándar. (El cobre ultrapuro tiene una conductividad de5,865 × 10 7 S/m, 102,75 % IACS.) Tenga en cuenta que los cobres OF y ETP tienen requisitos de conductividad idénticos. [5]
El oxígeno desempeña un papel beneficioso para mejorar la conductividad del cobre. Durante el proceso de fundición del cobre , se inyecta oxígeno deliberadamente en la masa fundida para eliminar las impurezas que, de otro modo, degradarían la conductividad. [6]
Existen procesos de refinación avanzados, como el proceso Czochralski , que pueden lograr niveles de impurezas por debajo de la especificación C10100 al reducir la densidad del grano de cobre. [7] [8] [9] [10] En este momento, no existen clasificaciones UNS/ASTM para estos cobres especiales y la conductividad IACS de estos cobres no está fácilmente disponible. [ cita requerida ]
Para aplicaciones industriales, el cobre libre de oxígeno se valora más por su pureza química que por su conductividad eléctrica. El cobre de grado OF/OFE se utiliza en procesos de deposición de plasma ( pulverización catódica ), incluida la fabricación de semiconductores y componentes superconductores , así como en otros dispositivos de ultra alto vacío como los aceleradores de partículas . En cualquiera de estas aplicaciones, la liberación de oxígeno u otras impurezas puede provocar reacciones químicas indeseables con otros materiales en el entorno local. [11]
La industria de cables de alta gama para altavoces comercializa el cobre sin oxígeno como un material que posee una conductividad mejorada u otras propiedades eléctricas que supuestamente son ventajosas para la transmisión de señales de audio . De hecho, las especificaciones de conductividad para el cobre sin oxígeno C11000 (ETP) común y el cobre sin oxígeno C10200 (OF) de mayor costo son idénticas; [12] e incluso el C10100, mucho más costoso, tiene solo un 1 % más de conductividad, algo insignificante en aplicaciones de audio. [12]
Sin embargo, el OFC se vende tanto para señales de audio como de vídeo en sistemas de reproducción de audio y cine en casa . [12]
Los cobres de alta conductividad eléctrica se diferencian de los cobres desoxidados mediante la adición de fósforo en el proceso de fundición. El cobre que contiene fósforo sin oxígeno (CuOFP) se utiliza normalmente para aplicaciones estructurales y térmicas en las que el material de cobre estará sujeto a temperaturas lo suficientemente altas como para provocar fragilización por hidrógeno o, más exactamente, fragilización por vapor . Algunos ejemplos incluyen varillas de soldadura y tubos de intercambiadores de calor . [13]
Las aleaciones de cobre que contienen oxígeno como impureza (en forma de óxidos residuales presentes en la matriz metálica) pueden volverse frágiles si se exponen al hidrógeno caliente . El hidrógeno se difunde a través del cobre y reacciona con inclusiones de Cu2O , formando H2O ( agua ), que luego forma burbujas de vapor de agua presurizada en los límites de los granos . Este proceso puede hacer que los granos se separen entre sí y se conoce como fragilización por vapor (porque se produce vapor , no porque la exposición al vapor cause el problema).
El CuOFP ha sido seleccionado como material resistente a la corrosión para el sobreenvase de combustible nuclear gastado en el concepto KBS-3 desarrollado en Suecia y Finlandia para eliminar residuos radiactivos de alto nivel en formaciones rocosas cristalinas.
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