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Materiales de partida 33

Ana Rosa Escamilla Mena

34 Materiales de partida




3. MATERIALES DE PARTIDA Se ha partido de tres tipos de materiales: Cobre, Cobalto e Hierro. Cada uno presenta una

de las tres estructuras cristalinas típicas de los metales (el 90% de los metales presenta

una de estas tres estructuras), de ahí, la elección de estos tres tipos de materiales.

El cobre presenta estructura cúbica centrada en las caras (FCC); el hierro presenta

estructura cúbica centrada en el cuerpo (BCC) el cual presenta alotropía, es decir, a

temperatura ambiente su estructura es BCC, mientras que a temperaturas superiores a

912ºC su estructura es FCC; el cobalto presenta estructura hexagonal compacta (HCP) a

temperatura ambiente, y a temperaturas superiores ocurre lo mismo que en el caso del

hierro.

La mayoría de los materiales ingenieriles, con excepción de los vidrios, polímeros y

geles, son de naturaleza cristalina, es decir, muestran un ordenamiento de sus átomos o

iones en las tres direcciones del espacio. Este ordenamiento atómico puede representarse

dibujando una red de líneas en las tres dimensiones del espacio (llamada red espacial) y

asimilando o colocando cada átomo o ión en los puntos de intersección de dicha red.

Cada red espacial puede describirse especificando las posiciones atómicas en una celdilla

unitaria que se repite.

Los dos tipos de celdillas más importantes son la que tienen el cobre, hierro y cobalto, es

decir, la celdilla cúbica y la celdilla hexagonal. A continuación se definen las tres

estructuras principales:

• Estructura cúbica centrada en el cuerpo (BCC)

Es la que presenta el hierro. En esta estructura, los átomos (asimilados a esferas

compactas) están situados en los vértices de una celdilla unitaria cúbica y en su

centro. El parámetro de la red, a, es la longitud de la arista de la celda unitaria.

Para el hierro, este valor es 0,287nm.

A continuación se muestra la estructura BCC (figura 1).



Figura 1: Estructura BCC

• Estructura cúbica centrada en las caras (FCC)

Es la que presenta el cobre. En esta estructura, los átomos están situados en los

vértices de una celdilla unitaria y en el centro de las caras. Al igual que en la

estructura anterior, el parámetro de la red, a, es la longitud de la arista de la celda

unitaria. Para el cobre, este valor es 0,362nm.

A continuación se muestra la estructura FCC (figura 2).

Figura 2: Estructura FCC



• Estructura hexagonal compacta (HCP)

Es la que presenta el cobalto. En esta estructura, los átomos ocupan los vértices de

un prisma hexagonal regular, los centros de las bases y los centros de los

triángulos alternativos en que puede descomponerse la sección media del prisma.

Los parámetros reticulares de esta estructura son a (la arista de la base) y c (la

altura del prisma). Para el cobalto, estos valores son 0,2507nm y 0,4069nm

respectivamente.

A continuación se muestra la estructura HCP (figura 3).

Figura 3: Estructura HCP

Es importante mencionar que, las estructuras FCC y HCP son estructuras más densas que

la BCC. De hecho, las dos primeras son, estructuras que se le denominan de MÁXIMA

DENSIDAD DE EMPAQUETAMIENTO, es decir, estructuras en las que los átomos

están empaquetados del modo más compacto posible. No existen otras estructuras con

mayor densidad de empaquetamiento.



A continuación, se define cada material.

• Cobre: es el elemento químico de número atómico 29 y símbolo Cu, situado en

el grupo 11 de la tabla periódica de los elementos.

Se trata de un metal de transición de color rojizo y brillo metálico que, junto con

la plata y el oro, forma parte de la llamada familia del cobre. Se caracteriza por

ser uno de los mejores conductores de electricidad (el segundo después de la

plata). Gracias a su alta conductividad eléctrica, ductilidad y maleabilidad, se ha

convertido en el material más utilizado para fabricar cables eléctricos y otros

componentes eléctricos y electrónicos. En la parte experimental del presente

proyecto, se verá que posee estas características.

El cobre es componente de una cantidad muy elevada de aleaciones que

generalmente presentan mejores propiedades mecánicas que el cobre puro, aunque

tienen una conductividad eléctrica menor. Las más importantes son conocidas con

el nombre de bronces y latones. En el proyecto se analiza el cobre puro. Por otra

parte, el cobre es un metal duradero porque se puede reciclar un número casi

ilimitado de veces sin que pierda sus propiedades mecánicas.

• Cobalto: es el elemento químico de número atómico 27 y símbolo Co situado en


El cobalto es un metal ferromagnético, de color blanco azulado. Su temperatura

de Curie es de 1388K. Normalmente se encuentra junto con el níquel, y ambos

suelen formar parte de los meteoritos de hierro.

Está comúnmente constituido de una mezcla de dos formas alotrópicas con

estructuras cristalinas hexagonal y cúbica centrada en las caras siendo la

temperatura de transición entre ambas de 722K. En el presente proyecto se utiliza

cobalto puro.

Se emplea sobre todo en superaleaciones de alto rendimiento, siendo éstas

normalmente más caras que las de níquel.



• Hierro: es un elemento químico de número atómico 26 y símbolo Fe situado en


Este metal de transición es el cuarto elemento más abundante en la corteza

terrestre, representando un 5% y, entre los metales, sólo el aluminio es más

abundante. El núcleo de la Tierra está formado principalmente por hierro y níquel,

generando al moverse un campo magnético.

Es un metal maleable, de color gris plateado y presenta propiedades magnéticas;

es ferromagnético a temperatura ambiente y presión atmosférica. Es

extremadamente duro y denso. Su temperatura de Curie es de 1043K.

Se encuentra en la naturaleza formando parte de numerosos minerales, entre ellos

muchos óxidos, y raramente se encuentra libre. Para obtener hierro en estado

elemental, los óxidos se reducen con carbono y luego es sometido a un proceso de

refinado para eliminar las impurezas presentes.

En la tabla 3, se muestran las principales propiedades referidas a los materiales definidos

anteriormente: Cobre, Cobalto e Hierro [13].



Tabla 3: Propiedades de cada uno de los materiales a estudiar

Propiedades: Cobre (Cu) Cobalto (Co) Hierro (Fe)

Punto de fusión (ºC) 1084,62 1495 1538

Punto de ebullición (ºC) 2927 2927 2861

Gama líquida (K) 1842,23 1432 1323

Propiedades elásticas:

Módulo de Young (GPa) 130 209 211

Módulo de rigidez (GPa) 48 75 82

Módulo de compresibilidad

(GPa)

140 180 170

Coeficiente de Poisson 0,34 0,31 0,29

Propiedades eléctricas:

Resistencia eléctrica (Ω m) 1,72 x 10-8 6 x 10-8 10 x 10-8

Propiedades compresibilidad:

Densidad del sólido (kg m-3) 8920 8900 7874

Volumen molar (cm3) 7,11 6,62 7,09

Velocidad del sonido (m s-1) 3570 4720 4910

Dureza:

Dureza Mineral 3,0 5,0 4,0

Dureza Vickers (MN m-2) 369 1043 608

Propiedades de expansión y

conducción:

Conductividad térmica (W m-1

K-1)

400

100 80

Coeficiente de dilatación térmico

lineal (K-1)

16,5 x 10-6 13,0 x 10-6 11,8 x 10-6



4.1. Características de los polvos iniciales

Se parte de material de cobre puro en polvo y granulado, material de hierro puro

granulado y material de cobalto puro granulado proveniente de la empresa austriaca RHP

Technology.

Un polvo, como se ha comentado anteriormente, está definido como un sólido finamente

dividido, de tamaño de partícula más pequeño que 1mm. En este caso el polvo siempre

será de un elemento puro metálico. Una característica importante del polvo es la relación

alta entre el área de superficie y el volumen. En cambio, los materiales granulares, están

compuestos de una gran cantidad de partículas sólidas, las cuales son de mayor tamaño.

El tamaño de las partículas suele ir desde algunas micras hasta el orden de milímetros o

mayores. En el caso de los polvos, sus partículas no son apreciables a simple vista.

Las características de los polvos iniciales se muestran en la tabla 4:

Elemento Pureza Tamaño partículas Tipo de material Cu 99,99% < 1mm Polvo P12-0046

Granulado Fe 99,99% < 1mm Granulado Co 99,99% < 1mm Granulado

Tabla 4: Características de los polvos

4.2. Aplicaciones de los materiales

El uso industrial del cobre es muy elevado, se utiliza tanto con un alto nivel de pureza,

cercano al 100%, como aleado con otros elementos. El cobre puro se emplea

principalmente en la fabricación de cables eléctricos.

El hierro puro (pureza a partir de 99,5%) no tiene demasiadas aplicaciones, salvo

excepciones para utilizar su potencial magnético. El hierro tiene su gran aplicación para

formar los productos siderúrgicos, utilizando éste como elemento matriz para alojar otros

elementos aleantes tanto metálicos como no metálicos, que confieren distintas

propiedades al material. Por ejemplo, se considera que una aleación de hierro con

carbono es acero si contiene menos de un 2,1% en peso de carbono; si el porcentaje es

mayor, recibe el nombre de fundición.



La mayor demanda mundial de cobalto se genera en el sector industrial dedicado a la

fabricación de aleaciones, superaleciones, carburos cementados y tratamiento de aceros.

Figura 4: Cobre, hierro y cobalto, respectivamente

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