Bronce

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Fragmento de un retrato de bronce de Marco Aurelio.

Bronce es el nombre con el que se denomina toda una serie de aleaciones metálicas que tienen como base el cobre, combinado con un 3 a 20% de estaño y proporciones variables de otros metales como zinc, aluminio, antimonio,o fósforo. Los elementos con características de dureza superiores al cobre permiten mejorar sus propiedades mecánicas.

Las aleaciones constituídas en forma preponderante por cobre y zinc se denominan latón: sin embargo, teniendo en cuenta que la composición moderna por lo general incluye tanto zinc como estaño, la diferencia exacta entre ambos nombres no está bien determinada, especialmente en el lenguaje coloquial.

Fue la primera aleación de importancia obtenida por el hombre, definiendo el período prehistórico conocido como Edad de bronce. Sus aplicaciones incluyen partes mecánicas resistentes al roce y a la corrosión, instrumentos musicales de buena calidad como campanas, gongs, saxofones, y se la utiliza así mismo para fabricar cuerdas de pianos, arpas y guitarras. Durante milenios fue la aleación básica para la fabricación de armas y utensilios, y orfebres de todas las épocas lo han utilizado en joyería, medallas y escultura. Las monedas acuñadas con aleaciones de bronce tuvieron un protagonismo relevante en el comercio y la economía mundial.

Etimología

El término bronce deriva probablemente del Persa "biring", (cobre). Otras versiones lo relacionan con el latín "aes brundisium" (mineral de Brindisi) por el antiguo puerto de Brindisium. Se cree que la aleación puede haber sido enviada por mar a este puerto, y desde allí distribuida a todo el Imperio romano .

Historia

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Pendiente-cuchillo de la Edad de bronce proveniente de Ucrania.

La introducción del bronce resultó significativa en cualquier civilización que lo halló, constituyendo la aleación mas innovadora en la historia tecnológica de la humanidad. Herramientas, armas, y varios materiales de construcción como mosaicos y placas decorativas consiguieron mayor dureza y durabilidad que sus predecesores en piedra o cobre calcopirítico.

La técnica consistía en mezclar el mineral de cobre -por lo general calcopirita o malaquita- con el de estaño (casiterita) en un horno alimentado con carbón vegetal. El dióxido de carbono resultante de la combustión reducía los minerales a cobre y estaño que se fundían y aleaban con 5 a 10% de peso de estaño. El conocimiento metalúrgico de la fabricación de bronce dio origen en las distintas civilizaciones a la llamada Edad de Bronce.

Inicialmente las impurezas naturales de arsénico permitían obtener una aleación natural superior, denominada bronce arsenical. Esta aleación, con no menos de un 2% de arsénico, se utilizaba durante la Edad de Bronce para la fabricación de armas y herramientas, teniendo en cuenta que el otro componente, el estaño, no era frecuente en muchas regiones, y debía ser importado de parajes lejanos. Un ejemplo de arma con este material es el hacha de Ötzi, momia datada en el año 5300 adC, que se halló en los alpes italianos en 1991.

La presencia de arsénico hace a esta aleación altamente tóxica, ya que produce –entre otros efectos patológicos– atrofia muscular y pérdida de reflejos.

Estatua en cobre de Pepy I. Siglo XXIV adC

Las aleaciones basadas en estaño mas antiguas que se conocen datan del cuarto mileno adC en Susa, (actual Iran) y otros sitios arqueológicos en Luristán y Mesopotamia.

Aunque el cobre y el estaño pueden alearse con facilidad, raramente se encuentran menas mixtas, si bien existen algunas pocas excepciones en antiguos yacimientos en Iran y Tailandia. El forjado regular del bronce involucró desde siempre el comercio del estaño. De hecho, algunos arqueólogos sospechan que uno de los disparadores de la Edad del hierro, con el subsecuente y progresivo reemplazo del bronce en las aplicaciones mas importantes, se debió a alguna interrupción seria en el comercio de ese mineral alrededor del año 1200 adC, en coincidencia con las grandes migraciones del Mediterráneo. La principal fuente de estaño en Europa fue Gran Bretaña, que posee depósitos de importancia en Cornwall. Se sabe que ya los fenicios llegaron hasta sus costas con mercancías del Mediterráneo para intercambiarlas por estaño.

En el Antiguo Egipto la mayoría de los elementos metálicos que se elaboraban consistían en aleaciones de cobre con arsénico, estaño, oro y plata. En tumbas del Imperio Nuevo, o en el templo de Karnak, se encuentran bajorrelieves mostrando una fundición datada en el siglo XV adC.

En el caso de la Grecia clásica, conocida por su tradición escultórica en mármol, se sabe que desarrollaron igualmente técnicas de fundición de bronce avanzadas , como lo prueban los bronces de Riace, originados en el siglo V adC.

Bronces de la dinastía Chola, India, aprox. Siglo X.

En India , la plenitud artística de la dinastía Chola produjo esculturas notables entre los siglos X y XI de nuestra era, representando las distintas formas del dios Siva y otras deidades.

Las civilizaciones de América prehispánica conocían todas el uso de las aleaciones de bronce, si bien muchos utensilios y herramientas continuaban fabricándose en piedra. Se han hallado objetos fabricados con aleaciones binarias de cobre - plata, cobre - estaño, cobre al plomo e incluso aleaciones poco usuales de latón . Ya en la época colonial, las fundiciones mas importantes se encontraban en Perú y en Cuba, dedicadas principalmente a la fabricación de campanas y cañones.

El bronce siguió en uso porque el acero de calidad no estuvo ampliamente disponible hasta muchos siglos después: recién con las mejoras de las técnicas de fundición a inicios de la Edad Media en Europa se obtuvo acero mas barato y resistente, eclipsando al bronce en muchas aplicaciones.

Propiedades

Exceptuando al acero, las aleaciones de bronce son superiores a las de hierro en casi todas las aplicaciones.

Comparación entre bronces y aceros

Aunque desarrollan pátina no se oxidan bajo la superficie, son mas frágiles y tienen menor punto de fusión. Son aproximadamente un 10% mas pesadas que el acero, a excepción de las compuestas por aluminio o sílice. También son menos rígidas, por lo tanto en aplicaciones elásticas como resortes acumulan menos energía que las piezas similares de acero. Resisten la corrosión, incluso la de origen marino, el umbral de fatiga metálica es menor, y son mejores conductores del calor y la electricidad.

Otra característica diferencial de las aleaciones de bronce respecto del acero, es la ausencia de chispas cuando se lo golpea contra superficies duras. Esta propiedad ha sido aprovechada para fabricar martillos, mazas, llaves ajustables y otras herramientas para uso en atmósferas explosivas o en presencia de gases inflamables.

Versatilidad

El cobre y sus aleaciones tienen una amplia variedad de usos como resultado de la versatilidad de sus propiedades mecánicas, físicas y químicas. Téngase en cuenta, por ejemplo, la conductividad eléctrica del cobre puro, la excelente maleabilidad de los cartuchos de munición fabricados en latón, la baja fricción de aleaciones cobre-plomo, las sonoridad del bronce para campanas y la resistencia a la corrosión de la mayoría de sus aleaciones. Bronce laton

Propiedades físicas

Datos para una aleación promedio 89 % cobre y 11 % níquel:

• Densidad: 8,90 g / cm3.
• Punto de fusión: 830 a 1020 ºC
• Coeficiente de temperatura: 0,0006 K^-1
• Resistividad eléctrica: 14 a 17 µOhm cm
• Coeficiente de expansión térmica: entre 20 y 100 ºC ---> 17,00 x 10^-6 K-1
• Conductividad térmica a 23 ºC : 42 a 50 W^m-1

Propiedades mecánicas

• Elongación: < 65%
• Dureza Brinell: 70 a 200
• Módulo de elasticidad: 80 a 115 GPa
• Resistencia a la cizalla: 230 a 490 MPa
• Resistencia a la tracción: 300 a 900 MPa

Principales aleaciones

Tipos básicos

Llave de bronce.

La aleación básica de bronce contiene aproximadamente un 88% de cobre y 12% de estaño . El bronce "alfa" es la mezcla sólida de estaño en cobre. La aleación alfa de bronce con 4 a 5 % de estaño se utiliza para acuñar monedas y para fabricar resortes, turbinas, y herramientas de corte.

En muchos países se denomina "bronce comercial" al latón, que contiene un 90% de cobre y 10% de zinc, pero no estaño. Es mas duro que el cobre, y tiene una ductilidad similar. Se lo utiliza en tornillos y alambres.

Bronce arsenical

La aleación de cobre con arsénico es el primer bronce utilizado por el hombre . Es una aleación blanquecina, muy dura y frágil. Se fabrica en una proporción de 70% de cobre y 30% de arsénico, aunque es posible fundir bronces con porcentajes de arsénico de hasta 47,5 %. En estos casos, el resultado es un material gris brillante, fusible al rojo y no alterado por el agua hirviente.

La simple exposición al aire del bronce arsenical produce una pátina oscura. Esta circunstancia, y la alta toxicidad del arsénico la convirtieron en una aleación muy poco utilizada, especialmente a partir del descubrimiento de la alpaca, plata alemana o bronce blanco, conocida desde tiempos antiguos en China y fabricada en Alemania desde fines del siglo XVIII.

Bronce sol

El denominado bronce sol ( alemán; Sonnenbronze ) es una aleación utilizada en joyería, tenaz, dúctil y muy dura, que funde a temperaturas próximas a las del cobre (1.357 ºC) y está constituida hasta por un 60% de cobalto.

Bronce para armas de fuego

Cañón pesado de los Dardanelos, utilizado por los turcos en el sitio de Constantinopla (1453)

A partir del descubrimiento de la pólvora se utilizó un bronce para cañones compuesto por 90% a 91% de cobre y 9% a 10% de estaño, proporción que se denomina comúnmente "bronce ordinario". Estas armas eran conocidas en China en épocas tan tempranas como el siglo XI adC, y en Europa se utilizaron a partir del siglo XIII tanto para cañones como en falconetes.

Para el siglo XV la artillería del Imperio otomano contaba con grandes bombardas de bronce. Construidas en dos piezas, con un largo total de 5,20 m y 16,8 toneladas de peso, lanzaban balas de 300 kg a una distancia de hasta 1.600 metros. De operación difícil, con un rango de tiro de no más de 15 disparos diarios, fueron utilizadas en el sitio de Constantinopla en 1453.

Bronce para campanas

La "Tsar kolokol" (ruso: "zar de las campanas", es la mayor campana de bronce que se conserva. Fundida en 1733, nunca se utilizó y se exhibe en el Kremlin de Moscú.

La fundición para campanas es generalmente frágil: las piezas nuevas presentan una coloración que varia del ceniza oscuro al blanco grisáceo, con tonos rojo amarillento o incluso rojo azulado en las aleaciones con mayor contenido de cobre.

La mayor proporción de cobre produce tonos más graves y profundos a igualdad de masa, mientras que el agregado de estaño, hierro o zinc produce tonos mas agudos. Para obtener una estructura mas cristalina y producir variantes en la sonoridad, los fundidores han utilizado también otros metales como antimonio o bismuto, si bien en pequeñas cantidades.

La aleación con mayor sonoridad para fabricar campanas consta de 78% de cobre y 22% de estaño. Es relativamente fácil para fundir, tiene una estructura granulosa compacta con fractura vítreo-concoidea de color rojizo. Este tipo de bronce era conocido desde antiguo en la India para fabricar gongs. Aunque poco frecuente por su costo, la adición de plata es una de las pocas que mejora aún mas la sonoridad.

También se han utilizado aleaciones con hasta 2% de antimonio. En China se conocía una aleación con 80% de cobre y 20% de estaño para fabricar campanas, grandes gongs y timbales.

En Inglaterra se utilizó una aleación constituida por 80% de cobre, 10,25% de estaño, 5,50% de zinc y 4,25% de plomo. Es de sonoridad menor, teniendo en cuenta que el plomo no se homogeiniza con la aleación.

Para campanillas e instrumentos pequeños se utilizó frecuentemente una aleación de 68% de cobre y 32% de estaño, que resulta en un material frágil, de fractura cenicienta.

Para platillos y gongs se usa una aleación templada con 80% de cobre y 20% de estaño. El temple se logra volviendo a calentar la pieza fundida y enfriándola rápidamente.

La mayor campana que se conserva fue fundida en 1733 por Ivan Morotin, por encargo de Ana de Rusia, sobrina del Zar Pedro el Grande. Con un peso de 216 toneladas, 6,14 m de alto y 6,6 de diámetro, nunca fue utilizada como instrumento, ya que un incendio en 1737 destruyó sus grandes soportes de madera. Desde 1836 se exhibe en el Kremlin de Moscú.

Kara kane

Estatua de bronce de Buda Daibutsu, en Kamakura, Japón, tiene 11,40 m de altura y 93 toneladas de peso.

El kara-kane es un bronce para campanas y orfebrería tradicional del Japón constituido por 60% de cobre, 24% de estaño, y 9% de zinc, con agregados de hierro y plomo. .

Muchos orfebres suelen agregarle pequeñas cantidades de arsénico y antimonio para endurecer al bronce sin perder fusibilidad, y lograr mayor detalle en la impresión de los moldes.

El kara-kane es muy utilizado para artesanía y estatuaria no solo por su bajo punto de fusión, gran fluidez y buenas características de relleno de molde, sino por su superficie suave que rápidamente desarrolla una fina pátina.

Existe una variedad singular denominada "seniokuthis", o bronce dorado, originada en la época de la dinastía Ming en China, que destaca por su textura lustrosa y su tonalidad dorada. En su fabricación tienen especial importancia las técnicas de pátina.

Las grandes esculturas de Buda realizadas por los orfebres japoneses demuestra el alto dominio técnico que poseían, y teniendo en cuenta su gran tamaño, la mayoría de ellas debió ser fundida en en lugar de emplazamiento por medio de sucesivas etapas.

Aleaciones que imitan la plata

• Metal de Tonca: aleación compuesta por un 36% de cobre, 28% de níquel y cantidades iguales de estaño, plomo, hierro, zinc y antimonio. Es un metal difícil de fundir, poco dúctil, que se utiliza con poca frecuencia.
• Mina plata: fabricada con 57% de cobre, 40% de níquel, 3% de tungsteno y trazas de aluminio, tiene la propiedad de no ser atacada por el azufre y presenta propiedades muy similares a la plata.

Aleaciones con plomo

Para la fabricación de cojinetes y otras piezas sometidas a fricción suelen utilizarse aleaciones de bronce con hasta un 10% de plomo, que le otorga propiedades autolubricantes.

La característica distintiva del plomo es que no forma aleación con el cobre; de allí que queda distribuido de acuerdo a la técnica de fundido en la masa de la aleación, sin mezclarse íntimamente. Por este motivo, el calentamiento excesivo de una pieza de maquinaria construida con este material puede llevar a la "exudación" de plomo que queda aparente como barro o lodo. El reciclaje de estas piezas es también dificultoso, porque el plomo se funde y separa de la aleación mucho antes que el cobre llegue a punto de fusión.

Aleaciones comerciales

Código	Denominación	Composición  %	Densidad gr/cm3	Dureza Brinell	Mod.Elástico Gpa	Resist. elec. ohm/cm	Cond.térmica W/mK	Punto fusión C	Aplicaciones
SAE40		Cu 85 Pb 5 Sn 5 Zn 5	8,82	60	93	1,2-05	71,9	854
SAE64		Cu 80 Pb 10 Sn 10	8,88	60	76	1,7-05	46,9	762
UNS C22000	Comercial 90-10	Cu 89/91 Fe < 0,05 Pb < 0,05 Zn 12,5	8,80	53	115	3,91-06	189	1020	matrices de impresión, laminados, tornillos
UNS C22600	Bronce de joyería	Cu 86/89 Fe < 0,05 Pb < 0,05 Zn 12,5	8,78	55	115	4,30-06	173	1005	cremalleras, bijouterie, monedas
UNS C31400	Templado comercial con plomo	Cu 87,5/90,5 Fe < 0,1 Ni < 0,7 Pb 1,3/2,5 Zn 9,25 Otros < 0,05	8,83		115		180	1010	tornillos, contactores eléctricos, partes de herramientas
UNS C31600	Templado niquelado	Cu 87,5/90 Fe < 0,1 Ni 0,7/1,2 Ph 0,04/0,1 Pb 1,2/2,5 Zn 8,1	8,86		115		140	1010	tornillos, contactores eléctricos, partes de herramientas
UNS C40500	Bronce de alta conductividad	Cu 95 Sn 1 Zn 4

Técnica de fundición

El método mas utilizado para la fundición artística del bronce es el de la "cera perdida" o microfusión , que -con diversas variantes- sigue los pasos siguientes:

1. Modelado del original en barro, escayola u otro material.
2. Toma del molde principal, generalmente en escayola. Una vez fraguado, se retira el núcleo (modelo original)
3. El molde "negativo" se llena con cera para producir un "positivo" de este material.
4. Se recubre la cera con una mezcla de arcilla. Una vez seca, se lleva a horno, donde la cera se funde y se "pierde".
5. En el caso de objetos pequeños, el nuevo molde sirve directamente para el colado del bronce. Para piezas mayores, es habitual llenarlo con una capa de cera que formará una película del espesor deseado para el bronce, y el interior (macho) se rellena con material refractario. Todo el proceso requiere la colocación de aireadores, canales de colado y diversos cuidados para obtener una colada homogénea.
6. Acabado que incluye limado de imperfecciones, asperezas y pulido de la pieza.
7. Pátina, mediante la aplicación de distintos ácidos y calentamiento a soplete para agilizar la oxidación.

Simbología

• Las medallas de bronce premian el tercer puesto en las competencias deportivas.
• Representa los 22 años de matrimonio en varias culturas occidentales: Bodas de bronce.
• Es el octavo nivel en la progresión de la cerbatana deportiva.

Véase también

• Cobre
• Estaño
• Latón
• Moldeo a la cera perdida
• Edad de Bronce

Enlaces externos

• Wikimedia Commons alberga contenido multimedia sobre Bronce.Commons
• La metalurgia del bronce en los Andes Sur Centrales Tiwanaku y San Pedro de Atacama
• Proceso de fundición del bronce
• Animacion flash sobre el proceso de fundicion a cera perdida
• Fundición a cera perdida
• Inventario nacional de contaminantes - Estados Unidos Ficha sobre cobre y aleaciones (en inglés)
• Una fundición de mas de 125 años en operaciones (en inglés)
• Bronce, una tradición de 3.000 años (en inglés)
• Fundición tradicional campesina en la costa de Ecuador.