Tecnología de los materiales

Objetivos Específicos:

PROPIEDADES FISICAS:

El comportamiento físico de los materiales se caracteriza por una diversidad de propiedades

eléctricas, magnéticas, ópticas y térmicas. La mayor parte de estas propiedades quedan determinadas

por la estructura atómica, el arreglo atómico y la estructura cristalina del material. En la estructura

atómica y, en particular, el espacio o banda de energía entre electrones en las bandas de valencia y de

conducción, ayudan a clasificar los materiales en conductores, semiconductores y aislantes.

Las propiedades físicas pueden ser modificadas en grado significativo cambiando el orden de

corto y de largo alcance de los átomos, así como mediante la introducción y control de imperfecciones

en la estructura y el arreglo atómico. Los mecanismos de endurecimiento y las técnicas de

procesamiento de metales, por ejemplo, tienen un efecto importante en la conductividad eléctrica de

estos materiales.

En muchas aplicaciones, el comportamiento eléctrico del material es más crítico que su

comportamiento mecánico. El alambre metálico utilizado para transmitir corriente a larga distancia

debe tener una alta conductividad eléctrica, a fin de que se pierda poca energía por el calentamiento.

Los aisladores cerámicos y poliméricos deben poseer propiedades dieléctricas que impidan la ruptura o

descomposición del material y los arcos eléctricos entre conductores.

Según la agrupación de sus moléculas, el estado físico será sólido cuando la cohesión es grande,

liquido cuando la cohesión es poco mayor que la repulsión, y gaseoso cuando la repulsión de las

moléculas es mayor que la cohesión.

1.1.1. Clasificación de las Propiedades Físicas

Dentro de este grupo se reúnen las propiedades primarias o básicas de la materia, con otras que

son consecuencia de fenómenos motivados por agentes físicos exteriores. Las más importantes son:

a.- Extensión: Capacidad de un cuerpo para ocupar una parte de espacio (volumen, superficie,

longitud).

b.- Impenetrabilidad: Es la propiedad que tienen los cuerpos de no poder ser ocupado su espacio,

simultáneamente, por otro cuerpo. La impenetrabilidad se debe a la sustancia que llena su volumen,

llamada masa. La unidad de masa es el gramo, igual al peso de 1 (cm 3 ) de agua destilada a 4º C.

Figura Nº 1

c.- Peso específico: Todos los cuerpos están sometidos a la acción de la gravedad; por lo tanto, son

pesados. Se denomina peso específico el peso de la unidad de volumen de un cuerpo. Comparando los

metales, se ve que, a igualdad de volumen, unos pesan más que otros, como si su masa fuera más

compacta. Se denomina densidad a la relación entre el peso del volumen de un cuerpo y el peso del

mismo volumen de agua destilada a 4º C. Esta relación es un número que carece de magnitud. Por

ejemplo, el hierro tiene una densidad de 7,8; lo cual indica que pesa 7,8 veces más que el agua.

d.- Conductividad Térmica: La conductividad térmica o calorífica es una medida de la rapidez a la cual se

transfiere calor a través de un plano dado de área A , cuando existe un gradiente de temperatura

ΔT /ΔX .

QA = k

ΔTΔX

En la figura Nº 1, se puede apreciar , que cuando se calienta un extremo de la barra , el calor

QA fluye hacia el extremo frío a una velocidad que está determinada por el gradiente de temperatura

producido por la barra.

La energía térmica se transfiere mediante dos mecanismos importantes : La transferencia de

electrones libres y de vibraciones en la red ( o fonones ). Los electrones de valencia adquieren energía ,

se mueven hacia áreas más frías del material y transfieren su energía a otros átomos. La cantidad de

energía transferida depende del número de electrones excitados y de su movilidad ; éstos , a su vez

dependen del tipo de material , de las imperfecciones de la red y de la temperatura. Además, las

vibraciones de los átomos térmicamente inducidas transfieren energía a través del material.

Tabla Nº 1, Conductividad térmica de materiales seleccionados

NºMaterial

Conductividad Térmica

[ calcm⋅s⋅K ]

Metales Puros

1. Aluminio 0,57

2. Cobre 0,96

3. Hierro 0,19

4. Magnesio 0,24

5. Plomo 0,084

6. Silicio 0,36

7. Titanio 0,052

8. Tungsteno 0,41

9. Zinc 0,28

10. Circonio 0,054

Aleaciones

11. Acero 1020 0,24

12. Aleación de aluminio 3003 0,67

13. Acero Inoxidable 304 0,072

14. Cementita 0,12

15. Ferrita 0,18

16. Hierro Gris 0,19

17. Latón 0,53

Cerámicos

18. Al2O3 0,038

19. Carbón (diamante) 5,54

20. Carbón (grafito) 0,80

21. Arcilla refractaria 0,00064

22. Carburo de silicio 0,21

23. Si3N4 0,035

24. Vidrio de cal y sosa 0,0023

25. Sílice vítrea 0,0032

26. Vidrio vycor 0,003

27. ZrO2 0,012

Polímeros

28. Nylon 6,6 0,0006

29. Polietileno 0,0008

30. Polimida 0,0005

31. Espuma de poliestireno 0,00007

Metales

Dado que en los metales la banda de valencia no está totalmente ocupada, los electrones

requieren poca excitación térmica para moverse y contribuir a la transferencia de calor. La

conductividad térmica de los metales se debe principalmente a la contribución electrónica, por lo tanto

se espera que exista una relación entre la conductividad térmica y la eléctrica.

Cuando se incrementa la temperatura del material, dos factores de compensación afectan la

conductividad térmica. Se espera que temperaturas más altas incrementen la energía de los electrones,

creando más “portadores” y también aumentando la contribución por la vibración de la red. Estos

efectos incrementan la conductividad térmica. Sin embargo, la máxima vibración de la red dispersa los

electrones, reduciendo su movilidad y, por lo tanto, su conductividad térmica. El efecto combinado de

estos factores propicia un comportamiento muy distinto para metales diferentes. Para el hierro, al

aumentar la temperatura la conductividad térmica inicialmente se reduce (debido a la menor movilidad

de electrones) y, a continuación, se incrementa ligeramente (en razón a más vibraciones de red).

Cuando el aluminio se calienta, la conductividad se reduce en forma continua y , en el caso del platino ,

se incrementa de la misma manera cuando se le calienta (figura Nº 2).

La conductividad térmica de los metales también depende de los defectos de la red , de su

microestructura y de su procesamiento. Así, los metales trabajados en frío, los endurecidos por solución

sólida y aleaciones bifásicas pueden tener conductividades inferiores en comparación con sus

contrapartes libres de defectos.

Materiales Cerámicos

La brecha de energía en los materiales cerámicos es demasiado grande como para que exciten

muchos electrones hacia la banda de conducción, salvo a temperaturas muy altas. En consecuencia, la

transferencia de calor en los materiales cerámicos principalmente es causada por vibraciones en la red

(o fonones). Dado que no existe contribución electrónica, la conductividad térmica de la mayoría de los

cerámicos es mucho menor que la de los metales.

Los vidrios tienen una conductividad térmica baja. La estructura amorfa poco compacta

minimiza los puntos de contacto entre cadenas de silicatos, haciendo más difícil la transferencia de

fonones. Sin embargo, la conductividad térmica aumenta conforme se incrementa la temperatura;

temperaturas más altas producen más fonones energéticos y una transferencia más rápida de calor.

La más ordenada estructura de los productos cerámicos cristalinos, así como de los vidrios

cerámicos que contienen gran cantidad de precipitados cristalinos, causan menos dispersiones de los

fonones. En comparación con los vidrios, estos materiales tienen una conductividad térmica mayor.

Conforme se incrementa la temperatura la dispersión se hace más pronunciada, reduciéndose la

conductividad térmica (como se ve en el caso de la alúmina y del carburo de silicio de la figura Nº 2). A

temperaturas aún más elevadas, se hace significativa la transferencia de calor por radiación y la

conductividad puede aumentar.

Otros factores también influyen sobre la conductividad térmica de los cerámicos. Los materiales

con estructura muy compacta y gran modulo de elasticidad producen fonones de alta energía, que

propician conductividad térmicas elevadas. Los defectos de la red y la porosidad incrementan la

dispersión, reduciendo la conductividad. Así, el mejor tipo de ladrillo aislante contiene un gran

porcentaje de porosidad.

Semiconductores

En estos materiales el calor es conducido por los fonones y por los electrones. A bajas

temperaturas, los principales portadores de energía son los fonones, pero a temperaturas más elevadas

los electrones son excitados para pasar a través de la pequeña brecha de energía hacia la banda de

conducción y la conductividad térmica se incrementa de manera significativa.

Polímeros

La conductividad térmica de los polímeros es muy baja, incluso en comparación con los vidrios

cerámicos. La energía se transfiere por vibración y movimiento de las cadenas moleculares de

polímeros. Si se incrementa el grado de polimerización, se aumenta la cristalinidad, se minimiza la

ramificación y se incluyen ligaduras cruzadas de importancia, todo ello genera una conductividad

térmica más elevada.

Utilizando espumas de polímeros, producidas a menudo a partir del poliestireno o del

poliuretano, se consigue un aislamiento térmico extraordinariamente bueno. Un producto típico son las

tazas de café de espuma de poliuretano.

Ejemplo de conductividad térmica

1.- Diseñe una ventana cuadrada con un vidrio de 1200 x 1200 [mm ] que conserve una habitación a

25º C ante un exterior a 40º C, y que no permita entrar más de 5 x 106 [ caldía ]Solución :

La tabla Nº 1 muestra la conductividad térmica del vidrio de cal y sosa , típico en las ventanas ,

la cual es de 0,0023 [ calcm⋅s⋅k ]

.

De la ecuación

QA = k

ΔTΔX se tiene

ΔX= k⋅ΔT⋅AQ

Q = 5 x 106 [cal día ] 57,87037 [cal

s ]

A = 1200 mm x 1200 mm = 1.440.000 [mm2 ] 14.400 [cm2 ]

K = 0,0023 [ calcm⋅s⋅k ]

T interior = 25 + 274,15 = 299,15 [ ºk ]

T exterior = 40 + 274,15 = 314,15 [ ºk ]

ΔT = 314,15 – 299,15 = 15 [ ºk ]

Por lo tanto

ΔX =

( 0 ,0023[ calcm⋅s⋅k ]⋅15 [ºk ]⋅14 . 400 [ cm2 ]

57 ,87037 [ cals ] )=8 ,5847 [cm ]

Conclusión

El espesor del vidrio calculado es de 8,5847 [cm ] por lo cual es demasiado grueso para evitar el

flujo de calor indicado. Se podrían hacer varias cosas para reducir el flujo de calor .Aunque todos los

vidrios cerámicos tienen conductividades térmicas similares, en su lugar se puede utilizar un material

polímero transparente (como el polimetilmetacrilato). Los polímeros tienen conductividades térmicas

de aproximadamente un orden de magnitud menor que las de los vidrios cerámicos. También se puede

utilizar un vidrio doble, con hojas separadas ya sea por un espacio de aire (el aire tiene conductividad

térmica muy baja) o por una hoja de polímero transparente.

e.- Conductividad Eléctrica:

La conductividad eléctrica es una propiedad casi exclusiva de los metales y consiste en la

facilidad que poseen de transmitir la corriente eléctrica a través de su masa. La inversa de la

conductividad es la resistividad eléctrica, o sea la resistencia que oponen al paso de los electrones.

En muchas aplicaciones, el comportamiento eléctrico del material es más crítico que su

comportamiento mecánico. El alambre metálico utilizado para transmitir corriente a larga distancia

debe tener una alta conductividad eléctrica, a fin de que se pierda poca energía por el calentamiento.

Los aisladores cerámicos y poliédricos deben poseer propiedades dieléctricas que impidan la ruptura o

descomposición del material y los arcos eléctricos entre conductores. Los dispositivos semiconductores

utilizados para convertir energía solar en energía eléctrica deben ser lo más eficientes posible para que

las celdas solares sean una práctica fuente alternativa de energía.

Para seleccionar y utilizar los materiales para aplicaciones eléctricas y electrónicas, es necesario

comprender como se controlan propiedades como la conductividad eléctrica. También es importante

tomar en cuenta que el comportamiento eléctrico queda influido por la estructura del material, por el

proceso por el cual es tratado, y por el entorno o medio ambiente al que el material queda expuesto.

Muchas personas están familiarizadas con la forma común de la ley de Ohm , V=I⋅R , en

donde se tiene que :

V = voltaje [volt, V]

I = corriente [Amper, A]

R = resistencia al flujo de la corriente [ohms, Ω].

La resistencia R es una característica del tamaño, la forma y las propiedades de los materiales

del circuito , R=ρ⋅L

A= Lσ⋅A , en donde se tiene que :

L = longitud del conductor [cm].

A = sección recta del conductor [cm2].

ρ = resistividad eléctrica [Ω cm].

σ = conductividad eléctrica [ 1Ω⋅cm ]

.

Esta ecuación puede utilizarse para diseñar resistencias, puesto que es posible modificar la

longitud o la sección transversal del dispositivo.

En componentes diseñados para conducir energía eléctrica, es importante minimizar las

perdidas de energía, no sólo por conservarla, sino también para minimizar el calentamiento. La energía

eléctrica o potencia eléctrica (P, en watts) que se pierde al fluir una corriente a través de una resistencia,

esta dada por:

P=V⋅I=I2⋅R

Los electrones son los portadores de carga en los conductores (metales), semiconductores y

muchos de los aislantes; en tanto que en los compuestos iónicos los iones transportan la mayor parte de

la carga (figura Nº 3). La movilidad depende de los enlaces atómicos, de las imperfecciones de la red, de

la microestructura y, en los compuestos iónicos, de las velocidades de difusión. Debido a todo lo

anterior, la conductividad eléctrica en los materiales varía enormemente, según se indica en la tabla Nº

2. Tabla Nº 2 , Conductividad eléctrica de materiales seleccionados

NºMaterial

Conductividad Eléctrica

[ 1Ω⋅cm ]

Metales Alcalinos

1. Sodio 2,13x105

2. Potasio 1,64x105

Metales Alcalinoferrosos

3. Magnesio 2,25x105

4. Calcio 3,16x105

Metales del grupo IIIA

5. Aluminio 3,77x105

6. Galio 0,66x105

Metales de transición

7. Hierro 1,00x105

8. Níquel 1,46x105

Metales del grupo IB

9. Cobre 5,98x105

10. Plata 6,80x105

11. Oro 4,26x105

Materiales del grupo IV

12. Diamante < 10-18

13. Silicio 5x10-6

14. Germanio 0,02

15. Estaño 0,9x105

Polímeros

16. Polietileno 10-15

17. Politetrafluoroetileno 10-18

18. Poliestireno 10-17 a 10-18

19. Epoxi 10-12 a 10-17

Materiales Cerámicos

20. Alúmina (Al2O3) 10-14

21. Vidrio de sílice 10-17

22. Nitruro de boro (BN) 10-13

23. Carburo de silicio (SiC) 10-1 a 10-2

24. Carburo de boro 1 a 2

Figura Nº 3

Portadores de carga en materiales diferentes: (a) En el enlace metálico los electrones de valencia

se mueven con facilidad, (b) en los semiconductores y en los aislantes los enlaces covalentes deben

romperse para que se pueda desplazar el electrón y (c) en muchos materiales iónicamente enlazados

deben difundirse iones completos para llevar carga.

Ejemplo de conductividad eléctrica

1.- Diseñe una línea de transmisión eléctrica de 150.000 [cm] de largo que llevará una corriente de 50

[A], con una perdida de energía menor de 5x105 [watts].

Solución :

a) Determinar el valor de resistencia

R= P

I 2

R=5 x105

502=200 [Ω ]

b) Seleccionar tres metales con excelente conductividad eléctrica.

- Aluminio = 3,77x105 [ 1Ω⋅cm ]

- Cobre = 5,98x105 [ 1Ω⋅cm ]

- Plata = 6,80x105 [ 1Ω⋅cm ]

c) Determinar la sección recta del conductor .

A= LR⋅σ

A=150. 000200⋅σ

=750σ [cm2]

AAl=750

3 ,77 x105=0 ,0019893 [cm2 ]

Ø = 0,050 [cm]

ACu=750

5 ,98 x105=0 ,0012541 [ cm2 ]

Ø = 0,040 [cm]

AAg=750

6 ,80x 105=0 ,0011029 [cm2 ]

Ø = 0,037 [cm]

Observación: Cualquiera de estos metales funcionará, pero el costo puede ser un factor de importancia.

d) Determinar el peso de cada metal según la formula W=A⋅L⋅δ

En donde δ = densidad del metal.

W Al=0 ,0019893 [cm2 ]⋅150 .000 [cm ]⋅2,7 [ grscm3 ]=805 ,6 [grs ]

WCu=0 ,0012541 [cm2 ]⋅150 . 000 [cm ]⋅8 ,93[ grscm3 ]=1. 679 ,86 [grs ]

W Ag=0 ,0011029 [cm2 ]⋅150. 000 [cm ]⋅10 ,49[ grscm3 ]=1 .735 ,41 [grs ]

e) Determinar costos de los metales

CostoAl=805 ,6 [grs ]⋅$ 60[grs ]

=$48 .336

CostoCu=1. 679 ,86 [grs ]⋅$ 82[grs ]

=$ 137. 749

CostoAg=1 .735 ,41 [ grs ]⋅$450[ grs ]

=$780 .935

Según este análisis, el aluminio es la selección más económica, aunque sea el alambre con

diámetro más grande. Sin embargo, otros factores, como la fuerza del alambre para soportarse a sí

mismo entre las torres del cableado, también contribuyen a la selección final.

f) Calor Específico

Es la cantidad de calor necesaria para aumentar la temperatura de la unidad de masa de un

cuerpo desde 0 hasta 1º C. Se expresa en calorías – gramo y es muy elevado en los metales. Su valor

tiene gran importancia porque permite conocer la cantidad de calor que se necesita suministrar a una

masa de metal para elevar su temperatura hasta la de transformación o de fusión.

g) Dilatación

Es el aumento de volumen que experimentan los cuerpos al aumentar su temperatura. Esta

propiedad se suele expresar por el aumento unitario de longitud que sufre el metal al elevarse en un

grado su temperatura , llamado coeficiente de dilatación lineal.

Propiedades químicas

Las dos propiedades más importantes desde el punto de vista químico , y de mayor importancia

para nosotros , se refieren a la resistencia que oponen los materiales frente a las acciones químicas y

atmosféricas , es decir , a la oxidación y la corrosión.

a) Oxidación

Es el efecto producido por el oxigeno en la superficie del metal y se acentúa al aumentar la

temperatura.

La oxidación directa, sin intervención del calor, aparece en casi todos los metales por dos

causas :

- Por la acción del oxigeno en estado atómico (naciente o disociado), que siempre existe en la

atmósfera.

- Por la menor estabilidad de los átomos superficiales del metal, que están enlazados menos

enérgicamente que los del interior.

Pero esta oxidación directa es muy débil , pues la finísima película de oxido que se forma en la

superficie, cuyo espesor , a veces, no es mayor que el de una molécula, impide el contacto con el resto

de la masa metálica con el oxigeno atmosférico, haciendo que no progrese la oxidación.

Ahora bien, si la temperatura se eleva, la oxidación puede incrementarse por un fenómeno de

doble difusión. Por una parte, los átomos de oxígeno exteriores pasan a través de la capa de oxido y

atacan el interior del metal; por otra, los átomos del metal se difunden a través de la capa de óxido y

son atacados al llegar a la superficie. La película de oxido, por tanto, aumenta por sus dos caras, la

exterior y la interior.

A medida que aumenta el espesor de la película, aumenta también la dificultad de difusión,

hasta que al llegar a determinado grueso se detiene y, por tanto, cesa también la oxidación. El espesor

de oxido necesario para que se produzcan una acción protectora depende y varía mucho según sea la

naturaleza del metal.

Pero como, a medida que se eleva, la temperatura no sólo facilita la reacción del oxigeno con el

metal, sino que aumenta la permeabilidad de la película de oxido, el espesor de ésta necesario para

detener la oxidación dependerá no sólo del metal, sino también de la temperatura a que se encuentre.

A la vista de lo expuesto, parece que la oxidación habría de detenerse siempre al alcanzar la

capa de oxido un espesor crítico protector perfectamente determinado para cada temperatura. Pero no

sucede así, pues, por la diferencia existente entre el coeficiente de dilatación de la capa de oxido y el

resto del metal, aquella acaba por agrietarse y por las grietas progresa la oxidación; e incluso , cuando

la capa alcanza cierto espesor , llega a desprender en forma de cascarilla, quedando así el metal

expuesto nuevamente a toda la intensidad de la oxidación.

En resumen, no existe ningún metal que resista la oxidación a cualquier temperatura. Pero

puede afirmarse que todos los metales resisten la oxidación hasta cierta temperatura por debajo de la

cual las películas de oxido que se forman son suficientemente impermeables para impedir la difusión a

la temperatura en que se hayan y suficientemente finas para mantenerse adheridas al metal sin sufrir

fisuras.

b) Corrosión

Es la destrucción o alteración gradual de un metal o aleación debido a un agente exterior.

(ataque químico directo o por una reacción electroquímica).

Clasificación de la corrosión de acuerdo a la naturaleza del medio corrosivo.

Dependiendo del medio corrosivo, la corrosión puede clasificarse en los cuatro grupos

siguientes:

Corrosión gaseosa: se realiza sin condensación de humedad en la superficie metálica.

Corrosión atmosférica: es el tipo más común de corrosión, presente en casi todas las instalaciones

industriales. La velocidad de la corrosión es una función de la naturaleza del metal, humedad y de la

presencia de contaminantes (SO 2, NaCl, H2SO4, HCl, polvos, etc.)

Corrosión líquida: la corrosión es en un medio líquido. Se acostumbra en este caso a señalar la

naturaleza de este medio (agua de mar, sales fundidas, líquidos orgánicos, ácidos, álcalis, etc).

Corrosión subterránea: es el deterioro producido por diferentes suelos, donde tiene fundamental

importancia su análisis, en cuanto a: sales presentes, Ph, resistividad, la presencia de bacterias

anaerobias, concentración de oxígeno, etc; variables todas que permiten cuantificar la velocidad de

corrosión y por ende el tipo de protección necesaria.

Clasificación de la corrosión de acuerdo a su mecanismo.

Para la clasificación, debe considerarse que los productos de la corrosión se forman a través de

las reacciones químicas y/o a través de reacciones electroquímica; por lo tanto, su clasificación límite

sugiere dos grupos "corrosión química" y "corrosión electroquímica".

Corrosión Química: bajo esta denominación están todos aquellos casos, donde el metal o aleación,

reacciona con un medio no iónico. Por ejemplo, la oxidación en aire a alta temperatura, el ataque del

hierro por el anhídrido sulfuroso, la reacción de un metal con una solución de yodo en tetracloruro de

carbono, etc.

3Fe+SO2 FeS+2FeO

En el caso de la corrosión del hierro en SO2, pueden también formarse Fe2O3 y Fe3O4.

La corrosión química corresponde a la corrosión gaseosa de la clasificación por la naturaleza del

medio.

Corrosión Electroquímica: considerados desde el punto de vista de la participación de iones

metálicos, todos los procesos de corrosión serían electroquímicos. Sin embargo, es común designar

como corrosión electroquímica aquel deterioro de material que se produce por un transporte

simultáneo de electricidad a través de un electrolito. Se denomina electrodo en su forma más simple, a

un metal sumergido en una solución.

Si la solución esta exenta de los iones metálicos Me++, al colocar en contacto el metal con la

solución, se producirá una disolución de iones metálicos hasta llegar al equilibrio termodinámico, donde

la cantidad de iones que entran en la solución es equivalente a las que se depositan.

El pasaje de iones del metal a la solución, origina una diferencia de potencial en la interfase

metal / solución. En el equilibrio, la reacción del electrodo está representada por :

Me Me++ + 2e

Donde, Me es el metal y Me++ sus iones en la solución.

Una solución capaz de conducir la electricidad, se llama electrolito; y su capacidad se debe a la

presencia de iones hidrógeno ( H+ ) positivo y iones hidróxidos (OH-) negativo.

Anodo es la parte de la superficie que se corroe y su proceso de corrosión se conoce como

proceso anódico o proceso de oxidación.

La reacción anódica es:

Fe Fe++ + 2e-

Cátodo es el electrodo donde se produce la aceptación de los electrones. El proceso catódico

restaura el balance eléctrico del sistema y se conoce también como el proceso de reducción.

Las reacciones catódicas indican dos posibilidades;

2 H+ + 2e- H2

2 H2O + 2e- H2 + 2OH-

Una pila galvánica consta de dos interfaces metal / solución, donde un electrodo actúa de ánodo y el otro de cátodo.

A este importante grupo pertenecen: la corrosión en soluciones salinas y aguas de mar, la

corrosión atmosférica, la corrosión en suelos, la corrosión en ácidos , etc.

metal

óxido

Clasificación de la corrosión de acuerdo a la apariencia del material corroído.

En la clasificación por apariencia del material corroído, es lógico hacer una breve descripción

preliminar de cada uno de ellos, que servirá para profundizar cada tema en particular y a su vez tener

una visión de conjunto del problema de corrosión.

Corrosión Uniforme: es un ataque homogéneo en la mayor parte de la superficie metálica (ver

figura Nº 4), permitiendo con ello calcular la vida útil del material corroído. La corrosión uniforme se

considera la forma más benigna de corrosión y normalmente produce un deterioro aceptable que no

podemos eliminar totalmente por razones económicas. Ejemplo, corrosión atmosférica, corrosión

homogénea de cascos y mantos de estanques, etc.

Figura Nº 4

Corrosión Localizada: se conoce con este nombre, al fenómeno de corrosión en la cual pequeñas

zonas o áreas son afectadas, constituyendo con ello la forma más peligrosa de corrosión. Este deterioro

puede clasificarse dentro de la corrosión inaceptable, donde el aspecto económico se vuelve secundario

y el factor decisivo es el grado de confianza que se puede depositar en los materiales resistentes.

Ejemplos, pérdida de hélice en los barcos, ruptura de trenes de aterrizaje de aviones, fisuras en el piso

de estanques, etc.

En la visualización de los fenómenos de corrosión localizada, existen deterioros macroscópicos,

es decir, la forma del ataque se ve a simple vista y deterioro microscópicos, donde su detección se

realiza con la ayuda de un microscopio.

Corrosión Galvánica: la corrosión galvánica puede ocurrir cuando se ponen en contacto dos

diferentes metales en una solución o medio conductor. La diferencia de potencial eléctrico existente

Metal A

Metal B

Producto de corrosión

Figura Nº 5

Medio corrosivo

Metal

Figura Nº 6

entre los dos metales, crea un campo propicio para generar una pila, actuando el material menos noble,

metal B en la figura como un ánodo.

Corrosión por Erosión: la corrosión por erosión se produce cuando la velocidad de ataque normal

en el medio del material es incrementado por el uso, ya sea por un roce mecánico del fluido al metal

(erosión); por formación de burbujas de vapor en la superficie del metal (cavitación); o por

deslizamiento de metales entre sí (corrosión bajo fricción o fretting corrosión); procesos todos que

remueven de la superficie metálica el film de óxidos protectores.

Corrosión en Placas: la corrosión denominada en placas, se presenta como un caso intermedio de

deterioro de materiales, entre una corrosión uniforme y una corrosión localizada. El ataque se extiende

más en algunas zonas, pero se presenta aún como deterioro generalizado.

Producto de corrosión

Metal

Figura Nº 7

Hendidura

Metal Producto de corrosión

Material

Figura Nº 8

Corrosión por Hendidura: la corrosión por hendidura o “crevice corrosión”, se llama a aquella en

que se aumenta el medio agresivo por localización de suciedades o productos de corrosión, en un hueco

existente en el material por diseño o construcción. Este tipo de corrosión existe generalmente entre

empaquetaduras, empalmes, pernos, etc.

Corrosión por Picado: esta forma localizada de ataque, es una de las más peligrosas que presenta la

corrosión, dado que la cantidad de material corroído no guarda relación con los daños que puede

causar. La corrosión se localiza en puntos aislados de la superficie metálica pasiva, propagándose hacia

el interior del metal, en canales cilíndricos, cónicos o de otra forma geométrica.

Zona con picaduras

Metal

Figura Nº 9

Generalmente se presenta en metales como el hierro, aluminio, acero inoxidable, cobre, etc, en

medios agresivos que contienen aniones como cloruros, bromuros, yoduros, percloratos, etc.

Corrosión Catastrófica: se produce en calderas, estanques y hornos motivado por la acción de

combustibles, cuyas cenizas depositadas en los tubos o piso tienen elementos que presentan bajo punto

de fusión.

Las cenizas que presentan bajo punto de fusión son generalmente pentóxidos de vanadio, óxido

de sodio, potasio y azufre, con lo cual se produce un ataque de una fase líquida a la superficie sólida del

metal. La fase líquida disuelve con mucha facilidad el óxido protector de la superficie metálica,

formando costras que engrosan y caen, exponiendo nuevamente el metal a la ceniza que

posteriormente se deposita. El proceso repetitivo hace disminuir rápidamente el espesor de los tubos y

pisos produciendo perforaciones.

Corrosión Biológica: la corrosión biológica debe su nombre a la participación de bacterias o micro-

organismos en el proceso electroquímico de corrosión del acero de baja aleación y de incluso acero de

mediana aleación. La acción de los micro-organismos podemos visualizarla de dos formas:

a) Con la acción de subsistencias, ciertas bacterias producen derivados de su metabolismo y que

generalmente son agresivos (H3PO4, H2SO4,HNO3,etc.). Estos productos alteran el medio, acelerando el

ataque del acero.

b) Paralelamente al desarrollo de la función vital de las bacterias, ocurren transformaciones de ciertos

compuestos (sulfatos), procesos de reducción que implican la utilización del hidrógeno del medio,

actuando como despolarizante o acelerante del fenómeno electroquímico de corrosión.

Ejemplo, corrosión en muelles marítimos, en equipos refrigerados con aguas industriales, etc.

Limite de grano

Grano

Figura Nº 10

Corrosión Selectiva: la corrosión selectiva es un tipo de ataque que ocurre en una aleación, en que

uno de los elementos de ella se disuelve, quedando un residuo poroso del otro componente.

Se presenta en aleaciones de Cu-Zn, donde el fenómeno de corrosión en este latón se conoce

como descincado. También ocurre en aleaciones de metales nobles, tales como Au-Cu y Au-Ag, en que

el material que se disuelve es el Cu y Ag respectivamente.

La aleación que sufre este tipo de corrosión, mantiene generalmente su forma original,

disminuyendo su resistencia mecánica y ductilidad.

Corrosión Intergranular: el ataque intergranular es una forma de corrosión localizada, que ocurre

por disolución preferencial de las zonas de los límites de granos. Los bordes de los granos son

generalmente anódicos respecto al material del grano mismo, situación que conduce a una

desintegración del material por corrosión intergranular.

El fenómeno de corrosión en los límites de granos, se debe fundamentalmente a las propiedades

diferentes tanto física como química, que tiene esa zona en comparación al material del seno del grano.

Ejemplo, corrosión intergranular de los aceros inoxidables, aleaciones de aluminio( Al-4%Cu, Al-Mg),

aleaciones de níquel (Incoloy, Inconel, Hastelloy), metales puros, etc.,bajo la presencia de medios

agresivos generalmente ácidos (H2SO4, láctico,Cl-, HNO3, fosfórico, acético, etc.).

Tensión Tensión

Figura Nº 11

Tensión cíclicaTensión cíclica

Metal

Corrosión Bajo Tensiones: puede presentarse cuando un metal es sometido simultáneamente a la

acción de un medio corrosivo ( líquido) y a tensiones mecánicas de tracción, que pueden ser aplicadas o

residuales; estos factores provocan la fractura del material, para valores de la tensión muy inferiores al

límite de fluencia. La velocidad de propagación de las fracturas de los metales, oscila generalmente

entre 1 a 10 mm/hr. Ejemplo, fragilización cáustica de los aceros de bajo carbono, “season cracking” de

los latones (70% Cu – 30% Zn en medio amoniacal), fisuración de los aceros inoxidables austeníticos

( agua a 200º C en presencia de iones Cl- ), corrosión bajo tensión de aleaciones de titanio ( Ti-6Al-4V en

metanol ), etc.

Corrosión por Fatiga: es el deterioro de un material, que se presenta normalmente a escala

microscópica, bajo la forma de grietas predominantemente transcristalinas provocadas por la acción

simultanea de un medio corrosivo que es específico para cada metal o aleación y a la acción de un

esfuerzo mecánico alternado o cíclicos. Ejemplo, serpentines en los estanques de crudo.

Propiedades tecnológicas

Las propiedades de manufactura y tecnológicas son aquellas que definen el comportamiento de

un material frente a diversos métodos de trabajo y a determinadas aplicaciones. Existen varias

propiedades que entran en esta categoría, destacándose la maquinabilidad, templabilidad, la

soldabilidad entre otras.

a) Maquinabilidad :

Propiedad que determina la capacidad de mecanización de un material. Está relacionada con los

procesos en los cuales existe arranque de material o viruta como:

- Cizallado: proceso por el cual se corta una plancha o una pieza metálica en frío por medio de

tijeras o cizallas.

- Torneado: operación que consiste en trabajar una pieza en un torno, máquina-herramienta en

la que se asegura y se hace girar la pieza a trabajar, para pulirla o labrarla. Existen varios tipos

de torneado como el simple o recto y el cónico y horadado.

- Taladrado: operación que consiste principalmente en la abertura, agrandamiento, corte y

acabado de agujeros en una pieza.

También están el fresado, el cepillado y el rectificado entre otros procesos que involucran

maquinabilidad.

b) Colabilidad :

Propiedad que tiene relación con la fluidez que adquiere un material una vez alcanzada la

temperatura de fusión. Tiene gran importancia en procesos de fundición, en los cuales a través del

vertido de metal fundido sobre un molde hueco, por lo general hecho de arena, se obtienen piezas

metálicas. La fundición implica tres procesos diferentes: en primer lugar se construye un modelo de

madera, plástico o metal con la forma del objeto terminado; más tarde se realiza un molde hueco

rodeando el modelo con arena y retirándolo después; y a continuación se vierte metal fundido en el

molde (este último proceso se conoce como colada).

Para que un material logre una fluidez adecuada para que el proceso de fundición se lleve a

cabo con éxito, es necesario que la temperatura de colada sobrepase unos 110ºC la temperatura de

fusión, para evitar problemas de endurecimiento precoz del material.

Existen diversos métodos de fundición como la colada centrífuga, la cual permite fundir objetos

de forma circular, o la fundición inversa, especial para la fabricación de piezas fundidas ornamentales.

Además de la fundición, existen otros procesos que han ido sustituyendo a la fundición como el

laminado, el mecanizado, la forja y el fundido a presión.

c) Soldabilidad :

En ingeniería, procedimiento por el cual dos o más piezas de metal se unen por aplicación de

calor, presión, o una combinación de ambos, con o sin al aporte de otro metal, llamado metal de

aportación, cuya temperatura de fusión es inferior a la de las piezas que han de soldarse. La mayor

parte de procesos de soldadura se pueden separar en dos categorías: soldadura por presión, que se

realiza sin la aportación de otro material mediante la aplicación de la presión suficiente y

normalmente ayudada con calor, y soldadura por fusión, realizada mediante la aplicación de calor a

las superficies, que se funden en la zona de contacto, con o sin aportación de otro metal. En cuanto a

la utilización de metal de aportación se distingue entre soldadura ordinaria y soldadura autógena.

Esta última se realiza sin añadir ningún material. La soldadura ordinaria o de aleación se lleva a cabo

añadiendo un metal de aportación que se funde y adhiere a las piezas base, por lo que realmente

éstas no participan por fusión en la soldadura. Se distingue también entre soldadura blanda y

soldadura dura, según sea la temperatura de fusión del metal de aportación empleado; la soldadura

blanda utiliza metales de aportación cuyo punto de fusión es inferior a los 450 ºC, y la dura metales

con temperaturas superiores.

Gracias al desarrollo de nuevas técnicas durante la primera mitad del siglo XX, la soldadura

sustituyó al atornillado y al remachado en la construcción de muchas estructuras, como puentes,

edificios y barcos. Es una técnica fundamental en la industria del motor, en la aeroespacial, en la

fabricación de maquinaria y en la de cualquier producto hecho con metales.

El tipo de soldadura más adecuado para unir dos piezas de metal depende de las propiedades

físicas de los metales, de la utilización a la que está destinada la pieza y de las instalaciones

disponibles. Los procesos de soldadura se clasifican según las fuentes de presión y calor utilizadas.

El procedimiento de soldadura por presión original es el de soldadura de fragua, practicado

durante siglos por herreros y artesanos. Los metales se calientan en un horno y se unen a golpes de

martillo. Esta técnica se utiliza cada vez menos en la industria moderna.

d) Ductilidad :

La ductilidad mide el grado de deformación que puede soportar un material sin romperse. Se

puede medir la distancia entre las marcas calibradas en una probeta antes y después del ensayo. El

porcentaje de elongación representa la distancia que la probeta se alarga plásticamente antes de la

fractura .

%elongación=L f−L0

L0

x100

Donde L0 es la distancia inicial de las probetas y Lf es la distancia entre las marcas calibradas

después de la ruptura del material.

Un segundo método para medir la ductilidad es calcular el cambio porcentual en el área de la

sección transversal en el punto de fractura antes y después del ensayo. El porcentaje de reducción en

área expresa el adelgazamiento sufrido por el material durante el ensayo.

%reducciónenarea=A0−A f

A0

x 100

Donde A0 es la sección inicial de la probeta y A f es el área de la sección transversal en la

superficie de la fractura.

La ductilidad es importante tanto para los diseñadores como para los fabricantes. El diseñador

de un componente preferirá un material que tenga por lo menos cierta ductilidad, de manera que si el

esfuerzo aplicado resulta demasiado alto, el componente se deforme antes de romperse. Los

fabricantes también prefieren los materiales dúctil , a fin de manufacturar formas complicadas sin que

se rompa durante el proceso.

Ejemplo de ductilidad

1.- Una probeta de aleación de aluminio tiene una longitud inicial de 50,8[mm] y un diámetro de 12,827 [mm] , luego de haber fallado , tiene una longitud final entre marcas calibradas de 55,753 [mm] y un diámetro final de 10,1092 [mm] en la fractura. Calcule la ductilidad de esta aleación.

Solución :

%elongación=L f−L0

L0

x100=55 ,753−50 ,850 ,8

x100=9 ,75%

%reducciónenarea=A0−A f

A0

x 100=129 ,223−80 ,264129 ,223

x100=37 ,88 %

e) Templabilidad:

Proceso de baja temperatura en el tratamiento térmico del material, especialmente el acero,

con el que se obtiene el equilibrio deseado entre la dureza y la tenacidad del producto final. Las piezas

de acero endurecidos se calientan a una temperatura elevada, pero bajo el punto de fusión del material.

Luego se enfrían rápidamente en aceite o en agua para lograr un material más duro, con menos

tensiones interna, pero más frágil. Para reducir la fragilidad, el material pasa por un recocido que

aumenta la tenacidad y disminuye su dureza,

Para obtener el equilibrio adecuado entre dureza y tenacidad, deben controlar la temperatura

de recalentamiento y la duración de este. La templabilidad depende de la facilidad del acero para evitar

la transformación de la perlita (constituyente microscópico de las aleaciones férricas, formado por

ferrita y cementita) o de la barrita de modo que pueda producirse martensita ( hierro tetragonal de

cuerpo centrado con carbono en solución sólida sobresaturada).

La templabilidad no es sinónimo de dureza. La máxima dureza que se puede obtener es una

función del contenido de carbono.

f) Recocido :

Proceso de tratamiento térmico por el que el vidrio, ciertos metales y aleaciones se hacen

menos quebradizos y más resistentes a la fractura. El recocido minimiza los defectos internos en la

estructura atómica del material y elimina posibles tensiones internas provocadas en las etapas

anteriores de su procesado.

Los metales ferrosos y el vidrio se recuecen calentándolos a alta temperatura y enfriándolos

lentamente; en cambio, la mejor forma de recocer el cobre y la plata es calentarlos y enfriarlos

enseguida sumergiéndolos en agua. Cuando el volumen de metal o vidrio es grande suele enfriarse

dentro del horno de calentamiento; las láminas suelen recocerse en un horno de proceso continuo. El

material a recocer se traslada sobre un tablero móvil a través de una cámara de gran longitud con un

gradiente (diferencia gradual) de temperaturas cuidadosamente fijado, desde un valor inicial justo por

debajo del punto de ablandado hasta la temperatura ambiente en el extremo final. El tiempo de

recocido, sobre todo en el caso del vidrio, varía mucho según el espesor de cada pieza; el vidrio de

ventana, por ejemplo, requiere varias horas; el vidrio cilindrado necesita varios días, y los espejos de

vidrio para telescopios reflectores, varios meses. El recocido es necesario como paso intermedio en

procesos de manipulación de metales, como la fabricación de alambre o el estampado en latón, para

recuperar la ductilidad que el metal a tratar pierde debido al endurecimiento producido durante la

operación de modelado, y para obtener los más bajos valores de resistencia a la deformación.

Propiedades mecánicas

Son aquellas que expresan el comportamiento de los metales frente a esfuerzos o cargas

tendientes a alterar su forma.

Tienen gran importancia porque son las que dan a algunos metales su superioridad sobre otros

materiales en cuanto a sus aplicaciones mecánicas.

Para poder establecer una clasificación de dichas propiedades, debe atenderse a la naturaleza

de los esfuerzos que inciden sobre ellos. De este modo resistencia, dureza, elasticidad, plasticidad,

tenacidad, fragilidad, resiliencia, fluencia y fatiga.

a) Resistencia :

Es la capacidad de soportar una carga externa. Si el metal debe soportarla sin romperse, se

denomina carga de rotura. Como la rotura de un metal puede producirse por tracción, compresión,

torsión o por cizallamiento, habrá una resistencia a la rotura para cada uno de estos esfuerzos. La

resistencia a la rotura se valora en [ kg

cm2 ] o

[ kg

mm2 ], que es la más corriente.

b) Dureza :

Es la propiedad que expresa el grado de deformación permanente que sufre un metal bajo la

acción directa de una carga determinada.

Hay que distinguir dos clases de dureza ; la dureza física y la dureza técnica. La dureza física es la

resistencia que opone un cuerpo a ser rayado por otro más duro. La dureza técnica es la resistencia que

opone un cuerpo a ser penetrado por otro más duro.

La dureza se valora en función de los resultados obtenidos de determinados ensayos de rayado,

penetración o choque. El primer procedimiento para averiguarla se basa en la escala de Mohs, que

consta de diez minerales ordenados de modo que cada uno de ellos es rayado por el que le sigue :

1) Talco

2) Yeso

3) Calcita

4) Fluorita

5) Apatito

6) Feldespato

7) Cuarzo

8) Topacio

9) Corindón

10) Diamante

Para determinar la dureza de un material se empieza tratando de rayarlo con el más blando y

siguientes hasta llegar a uno con el cual sea posible. Su dureza estará comprendida entre la de éste y la

anterior en la tabla.

Sin embargo, los ensayos más importantes, por ser los que se utilizan para designar las durezas,

son los de penetración, en que se aplica un penetrador (bola, cono o diamante) sobre la superficie del

material, con una presión y en un tiempo determinado, a fin de dejar una huella que depende de la

dureza del material. Los métodos mas utilizados son los de Brinell, Rockwell y Vickers.

Método Brinell (HB) : Ideada por el ingeniero sueco Brinell en el año 1900; consiste en comprimir,

sobre el material a ensayar, una bola de acero templado de un diámetro determinado, por medio de

una carga y durante un tiempo también establecidos.

Se mide el diámetro de la huella y se halla la dureza del material por la relación entre la carga

citada y el área del casquete de la huella; y dentro de ciertos límites, esta área será tanto mayor cuanto

menos duro sea el material. El área se puede sustituir por el diámetro, de acuerdo con el siguiente

cálculo:

HB= Pπ⋅D

2⋅(D−√D2−d2)

Donde:

P = La presión o carga sobre la bola [kg].

D = El diámetro de la bola o esfera de acero [mm].

d = El diámetro de la huella [mm].

El valor de la resistencia por tracción es

σ t=HB3 [ kg

mm2 ]

El método Brinell se practica perfectamente con piezas de perfil grueso de hierro o acero, pues

las huellas conseguidas con ellas son claras y de contornos limpios. Sin embargo, al tratar de aplicarlo a

materiales de espesores inferiores a 6[mm] se encontró que, utilizando la bola de 10 [mm] de diámetro,

se deformaba el material y los resultados obtenidos eran falsos.

Tabla Nº 3 , Diámetro de las bolas y presiones empleadas.

Espesor de la probeta Diámetro de la bola [mm] Carga [kg]Superior a 6 [mm] 10 3.000

De 6 a 3 [mm] 5 750Menor de 3 [mm] 2,5 187,5

Método Rockwell (HR) : el método Brinell no permite medir la dureza de los aceros templados,

porque con ellos se deforman las bolas. Por esto se emplea la escala Rockwell, que apareció en 1924 y

se basa también en la resistencia que oponen los materiales a ser penetrados, pero que, en lugar de

determinar la dureza del material en función de la superficie de la huella que deja el cuerpo penetrante,

la determina en función de la profundidad de esta huella. Los cuerpos penetrantes son un diamante en

forma de cono de 120º, con la punta redondeada con un radio de 0,2 [mm] (llamado penetrador Brale),

y bolas de 1 } wideslash {8} } {¿¿ y 1 } wideslash {16 } } {¿¿, y también, aunque menos empleadas, de 1 } wideslash {2} } {¿¿ y 1 } wideslash {4} } {¿¿. Se utilizan cargas de 60,

100 y 150 [kg] para materiales gruesos y de 15, 30 y 45 [kg] para materiales delgados.

Transformación de Rockwell a Brinell

H .B .= 7 . 300130−H . R .b

H .B .= 1 . 420 .000

(100−H . R .c )2 20 ≤ H.R.c ≤ 40

H .B .=25 .000

(100−H . R .c ) H.R.c > 40

Método Vickers (HV) : el ensayo por el método Vickers fue introducido en 1925 y se emplea mucho en

los laboratorios y, en particular, para piezas delgadas y templadas con espesores mínimos de 0,2[mm].

En este método se utiliza como cuerpo penetrante una punta de pirámide de base cuadrada y ángulo en

el vértice, entre caras de 136º, con una precisión obligada de 20 segundos. Este ángulo se eligió para

que la bola Brinell quedase circunscrita al cono en el borde de la huella, cuyo diámetro se procura que

sea aproximadamente igual a 0,375 D. Las cargas que se utilizan son de 1, 2, 3, 5, 10, 20, 30, 50, 100 y

120 [kg], con preferencia para el de 30 [kg]. El tiempo para mantener la carga oscila entre los 10 y 30

segundos, siendo el más empleado el de 15 segundos.

Los valores obtenidos son similares a los del método Brinell pero a medida que aumenta la

dureza del material el valor Vickers se hace mayor por la deformación que sufre la bola en el método

Brinell. En consecuencia el método Vickers es más importante sobre los 500 Brinell.

H .V .=1 ,854⋅P

E2

E=E1+E2

2

Donde :

P = La presión o carga [kg].

E1 , E2 = Diagonal de las Huellas [mm].

Ejemplo de dureza

1.- Utilizando el método Brinell con una carga de 3.000 [kg] y un diámetro de bola de 10[mm],

se detecta o se mide una huella cuyo diámetro es de 4[mm].

Determinar la dureza Brinell , Vickers y Rockwell.

Solución;

Dureza Brinell

HB= Pπ⋅D

2⋅(D−√D2−d2)

HB= 3 . 000π⋅10

2⋅(10−√102−42)

=228 ,767≈229

Dureza Rockwell B

H .B .= 7 . 300130−H . R .b

H .Rb=−(7300H .B .

−130)=98 ,122

Dureza Rockwell C

Según la tabla Nº 5 la dureza Rockwell C debiera ser aproximadamente de 20, por lo tanto

ocupo la siguiente formula:

H .B .= 1 . 420 .000

(100−H . R .c )2 20 ≤ H.R.c ≤ 40

(100−H .R .c )2=1 . 420. 000H .B .

10 . 000−200 H .R .c+H . R .c2=

1 .420 . 000229

H .R .c2−200 H .R .c+3.799 ,127=0

Por lo tanto se obtiene dos valores:

H.R.c = 178,745 ; valor que no existe según la tabla Nº 5.

H.R.c = 21,254 ; valor que se encuentra dentro de la tabla Nº 5

Dureza Vickers

Según correspondencia de la tabla Nº 5 , su valor es 229

Ensayo Penetrador Carga Aplicación

Brinell Bola de 10 [mm] 3.000 [kg] Hierro y acero fundidos

Brinell Bola de 10 [mm] 500 [kg] Aleaciones no ferrosas

Rockwell A Cono de diamante 60 [kg] Materiales muy duros

Rockwell B Bola de 1/16” 100 [kg] Latón, acero de baja resistencia

Rockwell C Cono de diamante 150 [kg] Acero de alta resistencia

Rockwell D Cono de diamante 100 [kg] Acero de alta resistencia

Rockwell E Bola de 1/8” 100 [kg] Materiales muy suaves

Rockwell F Bola de 1/16” 60 [kg] Aluminio, materiales suaves

Vickers Pirámide de diamante 10 [kg] Materiales duros

Tabla Nº 4, Comparación de ensayos de dureza típicos

Tabla Nº 5, Valores comparativos de durezas

Dureza Vickers

[HV]

Dureza Brinell[HB]

Resistencia a la

tracción

[ kg

mm2 ]

Dureza Rockwell

Dureza Vickers

[HV]

Dureza Brinell[HB]

Resistencia a la

tracción

[ kg

mm2 ]

Dureza Rockwell

B

HRb

C

HRc

B

HRb

C

HRc

90 90 32 550 515 183 51,7

100 100 36 57 560 522 186 52,3

110 110 40 63 570 529 190 52,9

120 120 43 68 580 536 193 53,5

130 130 46 73 590 543 197 54,1

140 140 49 77 600 549 200 54,6

150 150 52 81 610 556 205 55,1

160 160 55 84 620 562 210 55,6

170 170 58 87 630 568 56,1

180 180 61 90 640 574 56,6

190 190 64 92 650 580 57,1

200 200 67 94 14 660 586 57,6

210 210 70 95,5 16 670 592 58,1

220 220 74 97 18 680 598 58,5

230 230 77 98,5 20 690 604 59

240 240 80 100 22 700 609 59,4

250 250 83 101 23,5 710 615 59,9

260 260 86 102 25 720 620 60,3

270 270 89 103,5 26,5 730 625 60,7

280 280 92 104,5 28 740 630 61,1

290 290 95 105,5 29,5 750 635 61,5

300 300 99 106,5 31 760 640 61,9

310 310 102 32 770 645 62,3

320 320 106 33 780 649 62,6

330 330 109 34 790 654 63

340 339 112 35 800 658 63,3

350 349 115 36 810 663 63,7

360 358 119 37 820 667 64

370 367 122 38 830 671 64,4

380 376 126 39 840 675 64,7

390 385 129 40 850 679 65,1

400 394 132 41 860 682 65,4

410 403 136 41,8 870 686 65,8

420 412 139 42,6 880 689 66,1

430 421 143 43,4 890 693 66,5

440 429 146 44,2 900 696 66,8

450 438 149 45 910 699 67,2

460 446 152 45,7 920 702 67,5

470 454 155 46,4 930 705 67,8

480 462 159 47,1 940 708 68,1

490 470 162 47,8 950 711 68,4

500 477 165 48,5 960 713 68,7

510 485 169 49,2 970 716 69

520 492 172 49,8 980 718 69,3

530 500 176 50,5 990 720 69,6

540 507 179 51,1 1000 722 69,9

c) Elasticidad :

Es la disposición de un material para recobrar sus dimensiones originales cuando cesen los

esfuerzos que lo deformaron. El límite de elasticidad, es el límite del esfuerzo dentro del cual

desaparece completamente la deformación después de la supresión del esfuerzo; es decir, no queda

deformación permanente alguna.

Su determinación tiene gran interés en el cálculo de toda clase de elementos mecánicos

(muelles, estructuras, ejes, máquinas, etc.), ya que en el proyecto se debe tener en cuenta que las piezas

trabajen siempre por debajo del límite elástico. Normalmente se expresa en [ kg

mm2 ].

En la gráfica de esfuerzo – deformación, de un material , la pendiente de la curva en su región

elástica es el modulo de elasticidad o modulo de young.

d) Tenacidad :

Se define como la resistencia a la rotura por esfuerzos que deforman el metal. La tenacidad

requiere la existencia de resistencia y plasticidad. Así pues, son materiales tenaces los que son elásticos

y plásticos.

Aunque no existe ningún método exacto ni directo para medir la tenacidad de los metales, se

supone que el metal tenaz es aquel que posee una resistencia elevada y la particularidad de deformarse

permanentemente sin romperse. Frecuentemente la resistencia de un material al impacto o al choque

se toma como índice de su tenacidad.

e) Plasticidad :

Se dice que la deformación es plástica , cuando suprimida la carga que la produjo , el cuerpo

permanece deformado . Dicho de otra manera, plasticidad es la capacidad de deformación de un metal

sin que llegue a romperse. Si la deformación se produce por alargamiento mediante un esfuerzo de

tracción, esta propiedad se llama ductilidad; cuando lo es por aplastamiento mediante un esfuerzo de

compresión, se llama maleabilidad.

f) Fragilidad :

Es la propiedad que expresa falta de plasticidad y, por tanto, de tenacidad. Los materiales

frágiles se rompen en el límite elástico; es decir, su rotura se produce bruscamente al rebasar la carga

del límite elástico. Un metal frágil es aquel que no puede deformarse permanentemente en forma

visible, esto es, carece de plasticidad. Los metales duros, tales como los aceros de herramientas

templados a fondo, poseen muy poca plasticidad y, por lo tanto, pueden clasificarse como frágiles; sin

embargo, la dureza no es una medida de la plasticidad. Un metal frágil por lo regular posee poca

resistencia a la tracción, pero puede utilizarse con seguridad trabajando a compresión. Los metales

frágiles tienen muy poca resistencia al choque o impacto. En la actualidad no se dispone de una escala

de valores de fragilidad. Un metal frágil se rompe sin dar señales anteriores a la producción de la

fractura.

g) Fluencia :

Es la propiedad que tienen algunos metales de deformarse en forma lenta y espontáneamente

bajo la acción de su propio peso o de cargas muy pequeñas. Esta deformación lenta se denomina

también creep o creeping. En general, se presenta con más intensidad en los metales con temperatura

de fusión baja, como el plomo.

h) Resiliencia :

Expresa la resistencia de un metal a su rotura por choque. En realidad, es el resultado de un

ensayo y se denomina así la energía consumida en romper una probeta de dimensiones determinadas.

Los valores de la resiliencia son mayores a medida que aumenta la tenacidad de un material.

Diagrama de Ensayos de Tracción

b M

Z

S T

p p

F Endurecimiento por Estricción l deformación

u e

n c i a

o

En la figura Nº 13, se representa un diagrama típico de ensayo a la tracción del acero, donde se

indican las tensiones límites.

En la parte OP del diagrama las tensiones aplicadas son proporcionales a los alargamientos

específicos. p es la tensión límite de proporcionalidad.

En el punto S comienza el escurrimiento del material que termina en el punto T. En un ensayo

bien efectuado uno puede distinguir entre el punto de fluencia que corresponde a la carga alcanzada ,

justo antes de que empiece la fluencia , y el punto de fluencia más bajo que corresponde a la carga

requerida para mantener la fluencia . Como el punto de fluencia superior es transitorio , debe usarse el

punto de fluencia inferior para determinar la resistencia a la fluencia del material.

A partir del punto T continúan aumentando las tensiones aplicadas en función de los

alargamientos específicos.

En el punto M obtenemos la tensión máxima “aparente” alcanzada por el material que se

denomina Resistencia a la Tracción y corresponde al esfuerzo máximo aplicado. A partir del punto M y

aún antes , el material comienza a estrangularse en un punto determinado de la barra (el más débil ) y

las secciones que resisten el esfuerzo van disminuyendo siendo posible que entre M y Z las tensiones

reales sean mayores que b. Así pues , z es la verdadera tensión de rotura. Después de alcanzar

determinado valor máximo de carga , el diámetro de una porción de la probeta empieza a disminuir

debido a la inestabilidad local , este fenómeno se conoce como estricción (ver figura Nº 14 a). Cuando la

estricción se ha iniciado , cargas más pequeñas son suficientes para mantener a la muestra alargándose

aún más , hasta que finalmente se rompe(ver figura Nº 14b) . La ruptura ocurre a lo largo de una

superficie cónica que forma un ángulo de 45º con la superficie original de la probeta. Esto indica que los

esfuerzos cortantes son los principales causantes de la falla de materiales dúctiles y confirma el hecho

de que , bajo carga axial, los esfuerzos cortantes son máximos en superficies que forman un ángulo de

45º con la carga.

Hasta ahora se han explicado solo los ensayos de tracción. Si una probeta de material dúctil

estuviera cargada a compresión, en lugar de tracción, la curva esfuerzo- deformación obtenida sería

esencialmente la misma en cuanto a la parte recta, y el comienzo de la porción correspondiente a

fluencia y a endurecimiento por deformación. Particularmente notable es que para un acero dado, la

resistencia a la fluencia es la misma a tracción y a compresión. Para valores mayores de la deformación,

las curvas esfuerzo – deformación de tracción y compresión difieren y debe notarse que la estricción no

ocurre a compresión.

Tema 1: CLASIFICACION DE LOS MATERIALES

Introducción

Los materiales son sustancias de las que cualquier cosa o producto está compuesto. Desde el comienzo de la civilización, los materiales junto con la energía han sido utilizados por el hombre para mejorar su nivel de vida.

Como los productos están fabricados a base de materiales, estos se encuentran en todas partes alrededor nuestro. Los más comúnmente encontrados son: madera, hormigón, ladrillo, acero, plástico vidrio, caucho, aluminio, cobre y papel. Existen muchos más tipos de materiales y solo se tiene que mirar al alrededor para darse cuenta de ello.

La producción de nuevos materiales y el procesado de éstos hasta convertirlos en productos acabados, constituyen una parte importante de nuestra economía actual. Los ingenieros diseñan la mayoría de los productos facturados y los procesos necesarios para su fabricación. Puesto que la producción necesita materiales, los ingenieros deben conocer de la estructura interna y propiedades de los materiales, de modo que sean capaces de seleccionar el más adecuado para cada aplicación y también capaces de desarrollar los mejores métodos de procesado. Los ingenieros especializados en investigación y

desarrollo trabajan para crear nuevos materiales o para modificar (mejorar) las propiedades de los ya existentes.

La búsqueda de nuevos materiales progresa continuamente. Por ejemplo, los ingenieros mecánicos buscan materiales que resistan de mejor manera las altas temperaturas, de modo que los motores y equipos puedan funcionar más eficientemente. Los ingenieros eléctricos procuran encontrar nuevos materiales para conseguir que los dispositivos electrónicos puedan operar con mayores niveles de energía y, por consecuencia, a mayores temperaturas. De manera paralela, en el desarrollo de la computación, se requiere que el procesamiento de datos se realice a la mayor velocidad posible, lo que significa también mayor temperatura.

Los ingenieros aerospaciales tratan de descubrir materiales con mejor relación resistencia/peso para aviones y naves espaciales. Los ingenieros químicos se afanan en descubrir materiales más resistentes a la corrosión o que realicen una soldadura en frío de mejor calidad.

Los ingenieros, sea cual fuere su especialidad, deben tener conocimientos básicos y aplicados sobre los materiales de uso habitual en ingeniería, a efectos de poder realizar su trabajo más eficazmente cuando vayan a utilizar dichos materiales.

Tipos de Materiales.

En general, los materiales se pueden dividir en dos grandes grupos:

Metales y no metales

De los 112 elementos que se conocen, sólo 25 son no metálicos; su química, a diferencia de los no metales, es muy diversa, a pesar de que representa un número muy reducido, la mayoría de ellos son esenciales para los sistemas biológicos (O, C, H, N, P y S). En el grupo de los no metales se incluyen los menos reactivos: los gases nobles. Las propiedades únicas del H lo apartan del resto de los elementos en la tabla periódica.

Los metales en su mayoría provienen de los minerales. Los metales más abundantes en la corteza terrestre que existen en forma mineral son: aluminio, hierro, calcio, magnesio, sodio, potasio, titanio, y manganeso. El agua de mar es una rica fuente de iones metálicos como Na+, Mg+ y Ca+. La obtención del elemento puro como el hierro, aluminio, entre otros, se logra mediante procesos metalúrgicos.

A continuación se desarrollaran algunos aspectos importantes que engloban los elementos químicos: metales y no metales.

CARÁCTER GENERAL DE LOS METALES Y NO METALES

Metales

Materiales Metálicos.

Estos materiales son sustancias inorgánicas que están compuestos de uno o más elementos metálicos, pudiendo contener también algunos elementos no metálicos. Ejemplos de elementos metálicos son hierro, cobre, aluminio, níquel y titanio. Elementos no metálicos como carbono, nitrógeno y oxígeno, pueden también estar contenidos en los materiales metálicos. Los metales tienen una estructura cristalina en la que los átomos están dispuestos de manera ordenada. Los metales son, en general, buenos conductores eléctricos y térmicos. Muchos metales son relativamente resistentes y dúctiles a temperatura ambiente, y otros mantienen alta resistencia, incluso a elevadas temperaturas.

Los metales y aleaciones se dividen normalmente en dos clases:

Metales y aleaciones ferrosas, que contienen un alto porcentaje de hierro, como el acero o los hierros fundidos y

Metales y aleaciones no ferrosas, que carecen de hierro o solo contienen cantidades relativamente pequeñas. Ejemplos de metales no ferrosos son aluminio, cobre, cinc, titanio y níquel.

La mayor parte de los elementos metálicos exhibe el lustre brillante que asociamos a los metales. Los metales conducen el calor y la electricidad, son maleables (se pueden golpear para formar láminas delgadas) y dúctiles (se pueden estirar para formar alambres). Todos son sólidos a temperatura ambiente, con excepción del mercurio (punto de fusión = -39 ºC), y por tanto en estado natural es un líquido. Dos metales se funden ligeramente arriba de la temperatura ambiente: el cesio a 28.4 ºC y el galio a 29.8 ºC. En el otro extremo, muchos metales se funden a temperaturas muy altas. Por ejemplo, el cromo se funde a 1900 ºC.

Los metales tienden a tener energías de ionización bajas y por tanto se oxidan (pierden electrones) cuando sufren reacciones químicas. Los metales comunes tienen una relativa facilidad de oxidación. Muchos metales se oxidan con diversas sustancias comunes, incluidos 02 y los ácidos.

Se utilizan con fines estructurales, fabricación de recipientes, conducción del calor y la electricidad. Muchos de los iones metálicos cumplen funciones biológicas importantes: hierro, calcio, magnesio, sodio, potasio, cobre, manganeso, cinc, cobalto, molibdeno, cromo, estaño, vanadio, níquel,....

En resumen: Tienen un lustre brillante; diversos colores, pero casi todos son plateados. Los sólidos son maleables y dúctiles Buenos conductores del calor y la electricidad Casi todos los óxidos metálicos son sólidos iónicos básicos. Tienden a formar cationes en solución acuosa. Las capas externas contienen poco electrones habitualmente tres o menos.

No metales

Los no metales varían mucho en su apariencia: no son lustrosos y por lo general son malos conductores del calor y la electricidad. Sus puntos de fusión son más bajos que los de los metales (aunque el diamante, una forma de carbono, se funde a 3570 ºC). Varios no metales existen en condiciones ordinarias como moléculas diatómicas. En esta lista están incluidos cinco gases (H 2, N2, 02, F2 y C12), un líquido (Br2) y un sólido volátil (I2). El resto de los no metales son sólidos que pueden ser duros como el diamante o blandos como el azufre. Al contrario de los metales, son muy frágiles y no pueden estirarse en hilos ni en láminas. Se encuentran en los tres estados de la materia a temperatura ambiente: son gases (como el oxígeno), líquidos (bromo) y sólidos (como el carbono). No tienen brillo metálico y no reflejan la luz. Muchos no metales se encuentran en todos los seres vivos: carbono, hidrógeno, oxígeno, nitrógeno, fósforo y azufre en cantidades importantes. Otros son oligoelementos: flúor, silicio, arsénico, yodo, cloro.

Al resumir algunas de sus características, tenemos:

No tienen lustre; diversos colores. Los sólidos suelen ser quebradizos; algunos duros y otros blandos. Malos conductores del calor y la electricidad La mayor parte de los óxidos no metálicos son sustancias moleculares que forman soluciones ácidas Tienden a formar aniones u oxianiones en solución acuosa. Las capas externas contienen cuatro o más electrones*.

* Excepto hidrógeno y helio

A los elementos que tienen las propiedades de los metales y no metales se les llama, metaloides. Pueden ser tanto brillantes como opacos, y su forma puede cambiar fácilmente. Generalmente, los metaloides son conductores de calor y de electricidad, de mejor manera que los no metales, y no tan bien como los metales.

Algunos metaloides son: Boro (B); Silicio (Si); Arsénico (As); Antimonio (Sb), Telurio (Te); Astato (At)

Por “conveniencia” la mayoría de los materiales de la ingeniería están divididos en tres grandes grupos principales: materiales metálicos, poliméricos y cerámicos. Además de estos tres grandes grupos de materiales, se deben considerar dos tipos más, los materiales compuestos y los materiales eléctricos debido a su gran importancia en ingeniería.

Materiales Poliméricos

Están formados por largas cadenas de moléculas orgánicas o redes. Estructuralmente, la mayoría de los materiales poliméricos no son cristalinos, pero algunos constan de mezclas de regiones cristalinas y no cristalinas. La rigidez y ductilidad de los materiales poliméricos varía ostensiblemente. Debido a la

naturaleza de su estructura interna, la mayoría son malos conductores de la electricidad. Algunos de estos materiales son buenos aislantes, de ahí su aplicación en aislamiento eléctrico (uso en electricidad y electrónica).

En general, los materiales poliméricos tienen bajas densidades y temperaturas de fluencia (ablandamiento) o descomposición relativamente bajas.

Materiales Cerámicos

Los materiales cerámicos inorgánicos están constituidos por elementos metálicos y no metálicos cohesionados químicamente. Los materiales cerámicos pueden ser cristalinos, no cristalinos, o mezcla de ambos. La mayoría de los materiales cerámicos tienen alto nivel de dureza y gran resistencia a la temperatura, pero tienden a la fragilidad mecánica (proclividad a la quebradura). Nuevos materiales cerámicos se han desarrollado para su aplicación a motores. Las ventajas de los materiales para su uso en motores son: bajo peso, alta rigidez y dureza, alta resistencia al calor y al desgaste, poca fricción y propiedades aislantes.

Las propiedades aislantes, junto con la alta resistencia al calor y al desgaste de muchos de los cerámicos, los hace útiles en revestimientos de hornos para metales líquidos a altas temperaturas, como el acero. Una importante aplicación de los cerámicos protegen térmicamente la estructura interna del aluminio del trasbordador durante el lanzamiento y la reentrada en la atmósfera terrestre.

Elastómeros.

Son materiales basados en polímeros, es decir, de comportamiento elástico, consistencia flexible y tenacidad elevada.

En la década del 50, a partir del caucho, se desarrollaron una media docena de elastómeros, y en la actualidad existen más de 30 familias utilizados en la industria de máquinas (juntas, retenes, protecciones, articulaciones elásticas, elementos de suspensión, etc.)

Un buen ejemplo de los elastómeros, son los actuales neumáticos, producidos con caucho de estirenobutadieno (SRB), que presentan excelentes propiedades mecánicas, pero escasa resistencia a los agentes atmosféricos y a los aceites, y su temperatura de uso inferior a 100ºC.

Algunos ejemplos son: Caucho natural, caucho butílico, caucho de etileno-propileno, policloropreno, poliuretano, elastómero fluorado, etc.

Materiales Compuestos.

Los materiales compuestos son mezclas de dos o más materiales y presentan características mejores que la de los elementos que la componen. La mayoría de ellos constan de un determinado material reforzante y una resina compatible aglomerante con objeto de obtener las características específicas y propiedades deseadas. Normalmente los componentes no se disuelven recíprocamente y pueden ser identificados físicamente gracias a la interfase entre los componentes.

Los materiales compuestos pueden ser de muchos tipos. Algunos de los tipos predominantes son fibrosos (compuestos de fibras en una matriz) y particulados (compuestos de partículas en una matriz). Existen muchas combinaciones diferentes de refuerzos y matrices que se pueden usar para producirles. Dos destacados tipos de materiales compuestos modernos son la fibra de vidrio reforzada en matriz de poliéster y epoxy, y las fibras de carbono en una matriz epoxídica.

Algunos ejemplos son: fibra de vidrio, fibra de carbono, fibra de poliamida aromática, aleación de titanio y vanadio, etc.

Materiales Electrónicos.

Los materiales electrónicos no son un tipo de material cuantitativamente significativo, pero son un tipo de material extremadamente importante para las nuevas tecnologías. El más importante de los materiales electrónicos es el silicio puro, al que se puede modificar de distintos modos para cambiar sus características eléctricas. Una gran cantidad de complejos circuitos electrónicos pueden ser minituarizados en un chip de silicio de aproximadamente un cuarto de pulgada cuadrada (0.635 cm2). Los dispositivos microelectrónicos han hecho posibles muchos nuevos productos, calculadoras de bolsillo, relojes digitales y robots para soldadura.

Competencia entre Materiales.

Los materiales compiten unos con otros por su existencia y los nuevos mercados. De unos a otros periodos de tiempo, aparecen muchos factores que hacen posible la sustitución de un material por otro para ciertas aplicaciones. Si se hace un descubrimiento importante en el procesado de un cierto tipo de material, de manera que su costo se abarate sustancialmente, este material puede reemplazar a otro en ciertas aplicaciones. Como resultado, a la vuelta de un cierto periodo de tiempo, los materiales ya han cambiado.

Clasificación de los materiales

La finalidad de esta unidad es que el estudiante se percate y sepa diferenciar los tipos de materiales disponibles, entender su comportamiento general y sus capacidades.

Tipos de MaterialesLos Ingenieros manejan cotidianamente los materiales, para realizar un diseño, ya sea de una máquina, una estructura, una red eléctrica, etc.; por esa razón es fundamental saber que material se debe utilizar, conocer las propiedades para que cumpla requerimientos de costos y diseño o que el elemento no falle.

Se clasifican los materiales según su uso, en cuatro grupos:

Material Característica general Aplicaciones

Metales Fe, Al, Mg, Zn, Cu, Ni, Cr

Conductividad (eléctrica, térmica) adecuada; relativamente alta resistencia mecánica, ductilidad, rigidez

Estructuras, mecanismos, alambres, tubos,

Cerámicos Vidrio, ladrillo, loza,

Escasa conductividad, alta resistencia, frágiles (poco dúctiles)

Aislantes, protecciones anticorrosivas, vidrios para ventanas, lentes, refractarios.

Polímeros Plásticos, caucho, hule y muchos tipos de adhesivos

Baja conductividad eléctrica y térmica, escasa resistencia mecánica.

Algunos presentan buena ductilidad y resistencia al impacto. Buena resistencia a la corrosión.

Empacado de alimentos, encapsulado de circuitos integrados, adhesivos para madera

Compuestos

Dos o más materiales

Generan propiedades no obtenibles mediante uno solo

Fibra de vidrio, mortero, carburo de tungsteno en matriz de cobalto, madera terciada.

Procesos de obtención de metales

Metales ferrosos

Los metales ferrosos están basados en el hierro, el cual es conocido desde la antigüedad por los seres humanos. Las propiedades y demás datos referentes al hierro se especifican en la tabla 1. los metales ferrosos de mayor importancia en ingeniería son las aleaciones de hierro y carbono. Estas aleaciones se dividen en dos grandes grupos: aceros y fundiciones de hierro. Juntos constituyen el 85% del tonelaje de metales en Estados Unidos . Empecemos nuestro análisis de los metales ferrosos examinando el diagrama de fase hierro-carbono.

Tabla 1 Datos básicos sobre los elementos metálicos: (a) hierro;

Símbolo: Fe

Numero atómico: 26

Gravedad específica: 7.87

Estructura cristalina: BCC

Temperatura de fusión: 2802 º F (1539 º C)

Modulo de elasticidad:

Hematina

Elementos de aleación: Carbón; también cromo, manganeso, níquel, molibdeno, vanadio y silicio.

Aplicaciones típicas: Construcción, maquinaria, automotores, vías y equipo ferroviario.

Diagrama fase hierro-carbono

Figura 1

El diagrama de fase hierro carbono se muestra en la figura. El hierro puro se funde a 2802º F (1539º C). Durante el ascenso de la temperatura (desde la temperatura ambiente) sufre varias transformaciones en su fase sólida como se indica en el diagrama. A partir de la temperatura ambiente las fase es alfa (), también llamada ferrita. A 1674 º F (912 º C), la ferrita se transforma en gamma () llamada austenita. Esta, a su vez, se transforma en delta () a los 2541 º F (1394 º C), fase en la que permanece hasta que ocurre la fusión. Las tres fases son distintas; alfa y delta tienen estructuras BCC; y la gamma, situada entre estas dos, es FCC.

El hierro se encuentra disponible como producto comercial en varios niveles de pureza. El hiero electrolítico es el más puro, contiene alrededor del 99.00%, se usa en investigación y otras aplicaciones en las que se requiere un alto grado de pureza. El hierro de lingote, con un contenido de impurezas del orden de 0,1% (incluyendo cerca de 0,01% de carbono), se utiliza en aplicaciones donde se necesita alta ductilidad y resistencia a la corrosión. El hierro dulce contiene alrededor de 3% de escoria, pero muy poco carbono, y se puede trabajar fácilmente en operaciones de formado en caliente como el forjado.

Los límites de solubilidad del carbono en el hiero son bajos en la fase ferrita, solamente un 0,022% a 1333 º F (723 º C). La austenita puede disolver hasta casi un 2,1 % de carbono a una temperatura de 2066 º F (1130 º C) esta diferencia en solubilidad entre las fases alfa y gamma ofrece oportunidades para el fortalecimiento por tratamiento térmico. Aún sin tratamiento térmico, la resistencia del acero aumente dramáticamente conforme aumenta el contenido de carbono, aquí entramos en la región en que el metal cambia de nombre por el de acero. Más precisamente, el acero se define como una aleación hierro-carbono que contiene de 0,02% a 2,11% de carbono; desde luego los aceros pueden contener también otros elementos aleantes.

En el diagrama podemos observar una composición eutéctica a una concentración de 4,3% de carbono. Hay una región sólida del diagrama una característica similar a una concentración de 0,77% de carbono y 133 º F (723 º C). A ésta se le llama composición eutectoide. Los aceros por debajo de este nivel de carbono son conocido como aceros hipoeutectoides, y arriba de ese nivel, se 0,77 a 2,11 % de carbono se les llama aceros hipereutectoides.

Además de las fases mencionadas, hay otra fase prominente en el sistema de aleación hierro carbono. Ésta es Fe3C, también conocida como cementita, una fase intermedia: compuesto metálico de hierro y carbono que es duro y frágil. A temperaturas bajo condiciones de equilibrio las aleaciones hierro carbono forman un sistema de dos fases, aún a niveles de carbono ligeramente superiores a cero. El contenido de carbono en el acero fluctúa precisamente entre estos bajos niveles y hasta el 2,11 % de carbono. Arriba del 2,11 % hasta cerca del 4 o 5 % de carbono la aleación se define como fundición de hierro.

Producción del hierro y del acero.

Nuestra cobertura del hierro y del acero empieza con la menas de hierro y otros materiales requeridos. Revisaremos la fabricación del hierro y los procesos en que este se reduce de sus menas; y también la manufactura del acero, en el cual se refina el hierro para obtener la composición y pureza deseadas (acero de aleación). Consideraremos después los procesos de fundición que se realizan en la planta siderúrgica.

Menas de hierro y otras materia primas. La mena principal usada en la producción de hierro y acero es la hematita (Fe2O3). Otras menas incluyen la magnetita (Fe3O4), la siderita (FeCO3) y la limonita(Fe2O3-xH2O) donde x vale alrededor de 1.5). las menas de hierro contienen de un 50 a un 70% de hierro, dependiendo de su concentración – la hematita contiene casi 70% de hierro. Además, hoy se usa ampliamente la chatarra como materia prima para la fabricación de hierro y acero.

Las otras materias primas que se necesitan para reducir el hierro de sus menas, son el coque y la piedra caliza. El coque es un combustible de alto carbono, producido por el calentamiento de carbón bituminoso en una atmósfera con bajo contenido de oxigenó durante varias horas, seguido de una aspersión de agua en torres especiales de enfriamiento. El coque desempeña dos funciones en el proceso de reducción:1) es un combustible que proporciona calor para la reacción química y 2) produce monóxido de carbono (CO) para reducir las menas de hierro. La piedra caliza es una roca que contiene altas proporciones de carbonato de calcio (CaCO3). Esta piedra caliza se usa en el proceso como un fundente que reacciona con las impurezas presentes y las remueve del hierro fundido como escoria.

Producción de hierro. Para producir hierro, se deja caer por la parte superior de un alto horno una carga de menas de hierro, coque y piedra caliza. Un alto horno es una cámara revestida con refractario, de alrededor de 30 a 50 pies (9 a 15 m) de diámetro en su parte más ancha y una altura de 125 pies (40 m), en el cual se hace pasar una corriente de gases calientes a gran velocidad desde la parte baja de la cámara para realizar la combustión y la reducción del hierro. En las fig. 3.2 y 3.3 se ilustran algunos detalles técnicos de un alto horno típico. La carga desciende lentamente desde lo alto del horno hacia la base y en el trayecto alcanza temperatura alrededor de 3000º F (1650º C) . los gases calientes (CO, H 2, CO2, H2O, N2,O2, y los combustibles) realizan la combustión del coque conforme pasan hacia arriba, a través de la carga de materiales. El monóxido de carbono se suministra como un gas caliente, pero también se forma adicionalmente por la combustión del coque. El gas CO tiene en efecto reductor sobre las menas de hierro; la reacción simplificada se describe a continuación (usando la hematita como la mena original):

Figura 2

Figura 3

Fe2O3 + CO --------2FeO +CO2

El bióxido de carbono reacciona con el coque para formar más monóxido de carbono:

CO2 + C(coque) ---------- 2 CO

El cual realiza la reducción final de FeO a hierro:

FeO + CO Fe + CO2

El hierro fundido escurre hacia abajo, acumulándose en la base del alto horno. Este se vacía periódicamente en carros cuchara (o carros torpedo) que lo transfieren a las siguientes operaciones de la producción de acero.

El papel que juega la piedra caliza se resume en la siguiente ecuación. Primero se reduce a cal (CaO) por calentamiento:

CaCO3 CaO + CO2

La cal se combina con impurezas tales como sílice (SiO2) azufre (S) y aluminio (Al2O3) en reacciones que producen una escoria fundida que flota encima del hierro.

Es interesante hacer notar que se requieren aproximadamente siete toneladas de materia prima para producir una tonelada de hierro. La proporción de los ingredientes es aproximadamente:

2.0 toneladas de mena de hierro, 1.0 tonelada de coque y 0,5 tonelada de piedra caliza, y 3,5 toneladas de gases. Se recicla una proporción significativa de subproductos.

El hierro sangrado (vaciado) de la base del alto horno llamado arrabio contiene sobre 4% de carbono, más otras impurezas: 0.3 a 1.3 de Si, 0.5 a 2% de Mn, 0.1% a 1.0 de P y 0.02 a 0.08% de S. Tanto en la fundición de hierro como en la del acero se requieren refinamientos posteriores. Para convertir el arrabio en hierro colado gris se usa comúnmente un horno llamado cubilote. Para el acero, las composiciones deben controlarse más estrechamente y las impurezas llevarse a niveles mucho mas bajos.

Producción de acero.

Desde mediados del siglo XIX, se han desarrollo procesos para refinar el arrabio y convertirlo en acero, actualmente los dos procesos más importantes son el horno básico de oxigeno HBO (en ingles BOF, de basic oxigen furnace) y el horno eléctrico. Ambos se usan para producir aceros al carbono y de aleación.

En el horno básico de básico de oxigeno se procesa alrededor del 70% de la producción de acero en Estados Unidos,. El BOF es una adaptación del convertidor Bessemer. Mientras el proceso Bessemer usa una corriente de aire a través del arrabio fundido para quemar las impurezas, el proceso de oxígeno básico usa oxigeno puro. En la fig. 4 se ilustra un diagrama del BOF convencional a mitad de una hornada. El recipiente del BOF típico tiene 16 pies (5m) de diámetro interior y puede procesar de 150 a 200 toneladas de una hornada.

Figura 4

En la fig. 5 se muestra la secuencia de la fabricación de acero en el BOF. En las plantas siderúrgicas integradas se traslada el arrabio fundido en vagones llamados carros cuchara de hierro caliente. En la práctica moderna se le añade alrededor de un 30% de chatarra al arrabio en una carga típica del BOF y también se le agrega cal (CaO). La lámina en color número 5 muestra el horno durante su carga. Después de cargarlo, se inserta la lanza en el recipiente de manera que su boca esté alrededor de 5 pies (1.5 m) arriba de la superficie del hierro fundido. Se sopla oxigeno puro a alta velocidad a través de la lanza, causando la combustión y el calentamiento en la superficie de la masa fundida. El carbono disuelto en el hierro y otras impurezas como silicio, manganeso y fósforo, se oxidan. Las reacciones son:

Figura 5

2C + O2 ------ 2 CO (también se produce CO)

Si + O -------SiO2

2Mn + O2------ 2MnO4 P +5 O2--------- 2P2 O5

los gases CO y C O2 producidos en la primera reacción escapan a través de la boca del recipiente del BOF y se recogen en la campana de humos; los productos de las otras tres reacciones se remueven como escoria, usando la cal como agente fundente. El contenido de carbono en el hierro decrece casi linealmente durante el tiempo de proceso, esto permite un buen control predecible sobre los niveles de carbono en el acero. Después de refinarla al nivel deseado, la fundición de acero se sangra, los ingredientes de aleación y otros aditivos se depositan en la hornada y después se vacía la escoria. Una hornada de 200 toneladas de acero puede procesarse en cerca de 20 minutos, aunque el tiempo para el ciclo entero (tiempo entre sangrando y sangrado) toma alrededor de 45 minutos.

Los recientes avances en la tecnología del proceso de oxígeno básico incluyen el uso de boquillas en el fondo del recipiente, a través de estas se inyecta el oxígeno en el hierro fundido. Esto permite un mejor mezclado que la lanza convencional del BOF, el resultado son tiempos de proceso mas corto s (una reducción de 3 minutos aproximadamente), más bajos contenidos de carbono y altos rendimientos.

El acero producido en horno de arco eléctrico representa cerca del 30% de la producción de acero en Estados Unidos. Aunque originalmente se usó el arrabio como carga en este tipo de horno, la chatarra de acero es la materia prima principal actualmente. Los hornos de arco eléctrico se consiguen en varios diseños; el tipo más económico es el de arco directo mostrado en la fig 6. estos hornos tienen tapas removibles para cargarlos por arriba: el sangrado se realiza inclinando el horno entero. Se cargan en el horno la chatarra de hierro y acero junto con los ingredientes aleantes (adecuados para tal composición y la piedra caliza (fundente), la mezcla se calienta por medio de un arco eléctrico que fluye entre los grandes electrodos y la carga de metal. El fundido completo requiere alrededor de dos horas y el tiempo entre sangrías es de cuatro horas. Las capacidades de los hornos eléctricos fluctúan comúnmente en escalas entre 25 y 199 toneladas por hornada. Los hornos de arco eléctrico son notables porque se obtiene una mejor calidad del acero, pero el costo por tonelada es más alto comparado con el BOF. Los hornos eléctricos de arco se asocian generalmente con la producción de aceros de aleación, aceros de herramienta y aceros inoxidables.

Figura: horno

Colado de lingotes. El acero producido mediante el BOF o el horno de arco eléctrico se solidifican para procesamientos subsiguientes, ya sea como lingotes de fundición o por colada continua. Los lingotes de fundición son fundiciones grandes y discretas y que pesan desde menos de una tonelada hasta cerca de 300 toneladas (el peso de una horneada entera). Los moldes de lingotes o lingoteras se hacen de hierro de alto carbono y están ahusado en la parte superior o en el fondo para remover la pieza colada. En la fig. 7 se ilustra una lingotera de fondo ancho. La sección transversal puede ser cuadrada, rectangular o redonda; el perímetro es generalmente corrugado para incrementar el área superficial y para obtener un enfriado más rápido. La lingotera se coloca en una plataforma llamada escabel. Después de la solidificación se levanta la lingotera, dejando la fundición en el escabel.

Figura: lingotera

Debido a que los lingotes son tan grandes, el tiempo requerido para su solidificación y rechupe es significativo. La porosidad causada por la reacción del carbono y del oxígeno produce CO durante el enfriamiento y solidificación, este es un problema que debe resolverse durante la fusión de los lingotes. Estos gases se liberan en la fundición de acero debido a la reducción de su solubilidad con el descenso de la temperatura. Las fundiciones de acero se tratan frecuentemente para limitar o prevenir la evolución del gas CO durante la solidificación. El tratamiento consiste en al adición de elementos tales como Si y Al que reaccionan con el oxigeno disuelto en la fundición de acero, de manera que no quede disponible más oxigeno para la formación de CO. La estructura del acero sólido queda así libre de poros y otros defectos causados por la formación de gas.

Colada continua.

La colada continua se usa ampliamente en la producción de aluminio y cobre, pero su aplicación es más digna de mencionar en la fabricación de acero. El proceso está reemplazando el colado de lingotes debido a sus dramáticos incrementos en la productividad. El colado de lingotes es un proceso discreto. Debido a que las lingoteras son relativamente grandes consumen un tiempo de solidificación significativo. Para un lingote grande de acero, la solidificación puede tomar de 10 a 12 horas. El uso de la colada continua reduce significativamente este tiempo.

El proceso de colada continua, también llamado fundición, se ilustra en la figura 8 la fundición de acero se vacía de una cuchara de colada a un deposito temporal (llamado tundish), el cual suministra el metal a uno o más moldes de colada continua. El acero a solidificar en las regiones exteriores conforme descendente a través del molde enfriado por agua. Los aspersores de agua aceleran el proceso de

enfriamiento. El metal se dobla de una orientación vertical a otra horizontal mientras se encuentra aún caliente y plástico. Después se corta en secciones o se alimenta continuamente a un molino laminador en el cual se convierte en placa, lamina u otros perfiles.

Figura: colada continua

Aceros

El acero es una aleación de hierro que contiene entre 0.02 y 2.11% de carbono en peso, frecuentemente se incluyen otros elementos aleantes como manganeso, cromo, níquel y molibdeno, pero el contenido de carbono es el que convierte el hierro en acero. Existen cientos de composiciones disponibles en el mercado. Se pueden agrupar aquí con fines de clasificación en las siguientes categorías: 1)aceros al carbono, 2) aceros de baja aleación, 3) aceros inoxidables y 4) aceros de herramienta.

Aceros al carbono.

Estos aceros contienen carbono como principal elementos de aleación, con solamente pequeñas cantidades de otros elementos (cerca del 0.5% de manganeso es normal). La resistencia de los aceros al carbono se incrementa con el contenido de carbono; en la figura 9 se ilustra una gráfica típica de esta relación.

Figura: relación resistencia vs contenido de carbono

De acuerdo a un esquema de especificaciones desarrollado por la American Iron and Steel Institute (AISI) y la Society of Automotive Engineers (SAE), los aceros al carbono se especifican por un sistema de numeración de cuatro dígitos; 10XX, donde 10 indica que el acero es al carbono. y XX indica el porcentaje de carbono en cientos o puntos porcentuales. Por ejemplo, el acero 1020 contiene 0.20 % de carbono. Los aceros al carbono se clasifican típicamente en tres grupos de acuerdo con su contenido de carbono:

1. Aceros al bajo carbono, con menos de 0,20% de carbono, son por mucho los aceros mas ampliamente usados. Sus aplicaciones típicas son partes de lámina metálica para automóviles, plancha de acero para la fabricación y rieles de ferrocarril, estos aceros son relativamente fáciles de formar, de ahí su popularidad donde no se requiere una alta resistencia. Las fundiciones de acero caen usualmente dentro de esta categoría de bajo carbono.

2. Los aceros al medio carbono fluctúan en contenido de carbono entre el 0.2 y 0.50% y se especifican para aplicaciones que requieren resistencias mayores que las de los aceros al bajo carbono. Sus aplicaciones incluyen componentes de maquinaria y partes de motores, como cigüeñales y acoplamientos.

3. Los aceros al alto carbono en cantidades mayores al 0.50%. se especifican aun para aplicaciones de alta resistencia y donde se necesita rigidez y dureza. Algunos ejemplos son los resortes, la herramientas de corte y las cuchillas, así como las partes resistentes al desgaste.

A medida que se incrementa el contenido de carbono, aumenta también la resistencia y la dureza del acero, pero su ductilidad se reduce. Por otra parte, los aceros al alto carbono pueden tratarse térmicamente por formar mantensita, lo cual le da al acero mayor dureza y resistencia.

Aceros de baja aleación.

Los aceros de baja aleación son aleaciones hierro-carbono que contienen elementos aleantes adicionales en cantidades que totalizan menos del 5% en peso, aproximadamente. Debido a estas adiciones, los aceros de baja aleación tienen propiedades mecánicas que son superiores a los aceros al carbono para las aplicaciones dadas. Las propiedades superiores significan usualmente mayor resistencia, dureza en caliente, resistencia al desgaste, tenacidad y combinaciones más deseables de

estas propiedades. Con frecuencia se requiere el tratamiento térmico para lograr el mejoramiento de estas propiedades.

Los elementos comunes que se añaden a la aleación son el cromo, el manganeso, el molibdeno, el níquel y el vanadio, algunas veces en forma individual, pero generalmente en combinación. Estos elementos forman soluciones sólidas con el hierro y compuestos metálicos con el carbono (carburos). Suponiendo que exista la cantidad suficiente de carbono para reaccionar. Podemos resumir los efectos de los principales elementos como sigue:

- Cromo (Cr). Mejora la resistencia, dureza, resistencia al desgaste y dureza en caliente. Es uno de los más efectivos elementos de aleación para incrementar la templabilidad. El cromo mejora significativamente las propiedades de resistencia a la corrosión.

- Manganeso (Mn) mejora la resistencia y dureza del acero. Cuando el acero se trata térmicamente, el incremento de manganeso mejora la templabilidad. Debido a esto, el manganeso se usa ampliamente como elemento de aleación en el acero.

- Molibdeno (Mo). Aumenta la tenacidad, la dureza en caliente y la resistencia a la termoinfluencia. También mejora la templabilidad y forma carburos para resistencia el desgaste.

- Niquel )Ni). Mejora la resistencia y tenacidad. Incrementa la templabilidad, pero no tanto como los otros elementos de aleación en el acero. En cantidades significativas mejora la resistencia a la corrosión y es otro de los elementos mayoritarios(además del cromo) en ciertos tipos de acero inoxidable.

- Vanadio(V). Inhibe el crecimiento de los granos durante el procesamiento a temperaturas elevadas y durante el tratamiento térmico, lo cual mejora la resistencia y tenacidad del acero. También forma carburos que incrementan la resistencia al desgaste.

Las especificaciones AISI-SAE de muchos de los aceros de baja aleación se presentan en la tabla 2, que indica los análisis químicos nominales. El contenido de carbono se especifica por XX en centésimos de punto porcentual de carbono. Para mayor información se incluyen los aceros al carbón (10 XX). Para tener una idea de las propiedades de algunos de estos aceros, recopilamos la tabla 3 que en lista 1) el tratamiento térmico al cual se somete el acero para fortalecerlo y 2) su resistencia y ductilidad.

Análisis químico nominal. %

Tipo Nombre del acero Cr Mn Mo Ni V P S Si

10XX Al carbono 0.4 0.04 0.05

11XX Resulfurado 0.9 0.01 0.12 0.01

12XX Resulfurado Refosforado 0.9 0.10 0.22 0.01

13XX Manganeso 1.7 0.04 0.04 0.3

20XX Aceros al níquel 0.5 0.6 0.04 0.04 0.2

31XX Níquel-Cromo 0.6 1.0 0.04 0.04 0.3

40XX Molibdeno 0.8 0.25 0.04 0.04 0.2

41XX Cromo-Molibdeno 1.0 087 0.2 0.04 0.04 0.3

43XX Ni-Cr-Mo 0.8 0.7 0.25 1.8 0.04 0.04 0.2

46XX Niquel-Molibdeno 0.6 0.25 1.8 0.04 0.04 0.3

47XX Ni-Cr-Mo 0.4 0.6 0.2 1.0 0.04 0.04 0.3

48XX Niquel-Molibdeno 0.6 0.25 3.5 0.04 0.04 0.3

50XX Cromo 0.4 0.4 0.04 0.04 0.3

52XX Cromo 1.4 0.4 0.02 0.02 0.3

61XX Cr-vanadio 0.8 0.8 0.1 0.04 0.04 0.3

81XX Ni-Cr-Mo 0.4 0.8 0.1 0.3 0.04 0.04 0.3

86XX Ni-Cr-Mo 0.5 0.8 0.2 0.5 0.04 0.04 0.3

88XX Ni-Cr-Mo 0.5 0.8 0.35 0.5 0.04 0.04 0.3

92XX Silicio 0.8 0.04 0.04 0.2

93XX Ni-Cr-Mo 1.2 0.6 0.1 3.0 0.02 0.02 0.3

98XX Ni-Cr-Mo 0.8 0.8 0.25 1.0 0.04 0.04 0.3

Tabla 2 especificaciones de aceros AISI-SAE

Los aceros de baja aleación no se pueden soldar fácilmente, en especial a niveles de medio y alto carbono . desde la década de los años sesenta se han hecho investigaciones para desarrollar aceros de baja aleación y bajo carbono con mejores de resistencia a peso que los aceros al carbono, pero que sean más soldables que los aceros de baja aleación. Los productos desarrollados a partir de estas investigaciones se llaman aceros de baja aleación y alta resistencia (HSLA, siglas en ingles de high strength low alloy). En general tienen un bajo contenido de carbono (entre 0.10 y 0.30% C) y relativamente pequeñas cantidades de elementos de aleación ( solamente un 3% en un total de elementos tales como Mn, Cu, Ni y Cr). Los aceros HSLA se laminan en caliente bajo condiciones controladas y diseñadas para suministrar un mejor resistencia en comparación con los aceros al carbono, sin sacrificar además su formabilidad o soldabilidad. Su fortalecimiento se debe a una aleación por solución sólida; el tratamiento térmico no es posible debido a su bajo contenido de carbono. En la tabla 3 se en listan los aceros HSLA junto con sus propiedades –su composición química en cifras porcentuales es: 0.12 C, 0.60 Mn 1.1 Ni, 1.1 Cr 0.35 Mo y 0.4 Si.

Tabla 3 Tratamientos y propiedades mecánicas de aceros

LC =

laminado en caliente; EF = estirado en frío; TT = Tratamiento térmico

Aceros inoxidables.

AISI Resistencia a la tensión

Código tratamiento Lb/pulg (Mpa) Elongación,%1010 LC 44,000 (304) 471010 EF 53,000 (366) 12

1020 LC 55,000 (380) 281020 EF 61,000 (421) 151040 LC 75,000 (517) 20

1040 EF 85,000 (587) 101055 TT 130,000 (897) 161315 Ninguno 79,000 (545) 34

2030 Ninguno 82,000 (566) 323130 TT 101,000 (697) 284130 TT 129,000 (890) 17

4140 TT 133,000 (918) 164815 TT 92,000 (635) 279260 TT 144,000 (994) 18

HSLA ninguno 85,000 (586) 20

Son un grupo de aceros inoxidables altamente aleados y diseñados para suministrar un a la resistencia a la corrosión. Los principales elementos de aleación en el acero inoxidable son el cromo, usualmente arriba del 15% . el cromo forma en la aleación una delgada película impermeable de óxido (bajo atmósfera oxidante) la cual protege a la superficie de la corrosión. El níquel es otro elemento usado en ciertos aceros inoxidables para incrementar la protección contra la corrosión. El carbono se usa para reforzar y enducer el metal; sin embargo, cuando se eleva su contenido se produce en efecto de reducción de la protección contra la corrosión ya que el carburo de cromo que se forma, reduce la cantidad de cromo que se forma, reduce la cantidad de cromo libre en la aleación.

Los aceros inoxidables son notables por su combinación de resistencia y ductibilidad, además de su resistencia a la corrosión. Aunque dichas propiedades son muy deseables para dichas aplicaciones, generalmente hacen estas aleaciones sean difíciles de trabajar en manufactura. También los aceros inoxidables son significativamente más caro que los aceros al carbono de baja aleación.

Los aceros inoxidables se dividen tradicionalmente en tres grupos, cuyo nombre se determina por la fase predominante en la aleación a temperatura ambiente:

1) Inoxidables austeníticos. Estos aceros tienen la composición típica de 18% Cr y 8% Ni y son los mas resistentes a la corrosión de los tres grupos. Debido a esta composición se les identifica algunas veces como aceros 18-8. Son no magnéticos y muy dúctiles, pero muestran endurecimiento por trabajo en forma significativa. El níquel tiene el efecto de aumentar la región austenítica en el diagrama de fase hierro-carbono, haciéndola estable a temperatura ambiente. Los aceros inoxidables austeníticos se usan para fabricar equipos de procesos químicos y alimenticios, así como partes de maquinarias que requieren alta resistencia a la corrosión.

2) Inoxidables ferríticos. Estos aceros tienen alrededor de 15 a 20% de cromo, bajo carbono y nada de níquel. Esto proporciona una fase ferrita a temperatura ambiente. Los aceros inoxidables ferríticos son magnéticos, menos dúctiles y con menor resistencia a la corrosión que los austeníticos. Las partes hechas con inoxidables ferríticos van desde utensilios de cocina hasta componentes de motores de propulsión a chorro.

3) Inoxidables martensíticos. Estos aceros tienen un contenido más alto de carbono que los inoxidables ferríticos, lo cual permite fortalecerlos mediante tratamiento térmico. Tienen hasta un 18% de cromo pero nada de níquel. Son fuertes y resistentes a la fatiga, pero no tan resistente a la corrosión como los otros dos grupos. Los productos típicos incluyen cubertería e instrumentos quirúrgicos.

La mayoría de los aceros inoxidables se designan por un esquema de numeración de tres dígitos AISI. El primer dígito indica el tipo general y los dos últimos dígitos del el grado especifico dentro del tipo. En la tabla 4 se enlistan los aceros inoxidables comunes con sus composiciones típicas y sus propiedades mecánicas.

Los aceros inoxidables tradicionales se desarrollaron a principios del siglo XIX. Desde entonces, se han desarrollado adicionalmente varios aceros que tienen buena resistencia a la corrosión y otras propiedades deseables. Estos también se clasifican como aceros inoxidables . continuamos nuestra lista:

4) Inoxidables endurecibles por precipitación. Una composición típica es 17% Cr 7% Ni, con pequeñas cantidades adicionales de elementos de aleación como aluminio, cobre, titanio y molibdeno. La característica distintiva entre los inoxidables es que pueden ser fortalecidos con el proceso de endurecimiento por precipitación. La resistencia a la corrosión y al esfuerzo se mantienen a temperaturas elevadas, lo que estas aleaciones sean adecuadas para aplicaciones aeroespaciales.

5) Inoxidables dúplex. Estos aceros tienen una estructura mezclada de austenita y ferrita en cantidades aproximadamente iguales. Su resistencia mejorada al agrietamiento por corrosión debido al esfuerzo. Sus aplicaciones incluyen intercambiadores de calor, bombas y plantas de tratamiento de aguas negras.

Tabla 4 Composición y propiedades mecánicas de aceros inoxidables seleccionados.

Análisis químico Resistencia a la tensión

Tipo Fe Cr Ni C Mn Otros Lb/pulg (MPa) Elongación,%

Austenítico

301 73 17 7 0.15 2 90.000 (620) 40

302 71 18 8 0.15 2 75.000 (515) 40

304 69 19 9 0.08 2 75.000 (515) 40

309 61 23 13 0.20 2 75.000 (515) 40

316 65 17 12 0.08 2 2.5 Mo

(515) 40

Ferrítico

405 85 13 - 0.08 1 60.000 (415) 20

430 81 17 - 0.12 1 60.000 (415) 20

Martensítico

403 86 12 - 0.15 1 70.000 (4859 20

403 86 12 - 0.15 1 120.000 (8259 12

416 85 13 - 0.15 1 70.000 (485) 20

416 85 13 - 0.15 1 140.000 (965) 10

440 81 17 - 0.65 1 105.000 (725) 20

440 81 17 - 0.65 1 260.000 (1790) 5

Aceros de herramienta.

Los aceros de herramienta son una clave de aceros de alta aleación (usualmente) diseñados para usarse como herramientas industriales de corte, dados y moldes. Para cumplir adecuadamente con su desempeño en estas aplicaciones deben poseer alta resistencia, dureza, dureza en caliente, resistencia al desgaste y tenacidad al impacto. Estos aceros se tratan térmicamente para obtener estas propiedades. Las razones principales para los altos niveles de elementos de aleación son 1) Templabilidad mejorada, 2) reducción de la distorsión durante el tratamiento térmico, 3) dureza en caliente, 4) formación de carburos metálicos duros para resistencia a la abrasión y 5) tenacidad mejorada.

Los aceros de herramienta se dividen en diversos tipos de acuerdo con su aplicación y composición. La AISI utiliza un esquema de clasificación que incluye un prefijo alfabético para identificar al acero herramienta. En la siguiente lista de tipos de aceros de herramienta identificamos los prefijos y presentamos algunas composiciones típicas en la tabla 5.

T, M. Aceros para herramienta de alta velocidad. Se usan como herramientas de corte en procesos de maquinado, se formulan para alta resistencia al desgaste y dureza en caliente. Los aceros de alta resistencia (HSS, por sus siglas en ingles high speed steels) originales se desarrollaron alrededor de 1900. Esto permitió un dramático incremento en la velocidad de corte comparada con las herramientas usadas anteriormente, de aquí su nombre. Las dos designaciones AISI indican el elemento principal de aleación: T para el tungsteno M para el molibdeno.

H. Aceros de herramienta para trabajo en caliente. Están diseñados para dados para trabajo en caliente para forja, extrusión y fundición en dados.

D. aceros de herramienta para trabajo en frío. Estos aceros para dados se usan para operaciones de trabajo en frío tales como: estampado de láminas metálicas, extrusión en frío y ciertas operaciones de forja. Las especificación D representa dado. Las especificaciones AISI mas estrechamente relacionadas son A y O, los cuales simbolizan a los procesos de templado por aire y por aceite (oil). Todos ellos representan una buen resistencia al desgaste y baja distorsión.

W. Aceros de herramienta endurecibles con agua. Estos aceros tienen alto contenido de carbono con poco o ningún otro elemento de aleación. Solo pueden ser endurecidos mediante un rápido enfriamiento en agua. Se usan ampliamente debido a su bajo costo, pero se limitan a aplicaciones a temperaturas bajas. Los dados o matrices para encabezamiento en frío son una aplicación típica.

S. Aceros de herramienta resistentes al choque. Estos aceros se proyectan para usarse en aplicaciones donde se requiere una alta tenacidad, como en muchas cizallas para corte de metal para operaciones de punzonado y doblado.

P. Aceros para molde. Como indica su nombre, estos aceros de herramienta son para moldeo de plásticos y hule.

L. Aceros de herramienta de baja aleación. Estos materiales se reservan generalmente para aplicaciones especiales.

Los aceros de herramienta no son los únicos materiales para herramienta. También se usan los aceros al carbono de baja aleación y los aceros inoxidables para aplicaciones en muchas herramientas y dados. Las fundiciones de hierro y ciertas aleaciones no ferrosas también se adecuan para aplicarse a herramientas. Además, se ha incrementado el uso de varios materiales cerámicos como insertos de corte de alta velocidad, abrasivos y otras herramientas.

Tabla 5 Aceros de herramienta identificados por su prefijo AISI con ejemplos de composición y valores típicos de dureza HRC.

Análisis químico, %

Dureza

AISI Ejemplo C Cr Mn Mo Ni V W HRCT T1 0.7 4.0 1.0 18.0 65M M2 0.8 4.0 5.0 2.0 6.0 65H H11 0.4 5.0 1.5 0.4 55D D1 1.0 12.0 1.0 60A A2 1.0 5.0 1.0 60O O1 0.9 0.5 1.0 0.5 61W W1 1.0 63S S1 0.5 1.5 2.5 50P P20 0.4 1.7 0.4 40L L6 0.7 0.8 0.2 1.5 40

Fundiciones de hierro

la fundición de hierro (conocida también como hierro colado) es una aleación que contienen de 2.11%

hasta cerca del 4% de carbono y de 1 a 3% de silicio, composición que lo hace bastante adecuado como

metal de fundición; de hecho, el tonelaje de fundiciones de hierro representa varias veces el de todos

los otros metales juntos–excluyendo el hierro en lingotes que se hace durante la producción de acero y

que se convierte en barras, planchas y material similar mediante laminación.. el tonelaje global de

fundición de hierro está en segundo lugar, pero sólo con respecto al acero entre todos los metales.

Hay varios tipos de fundiciones de hierro, la fundición gris es la mas importante. Otros tipos incluyen la fundición nodular (dúctil),la fundición blanca maleable y varias fundiciones grises y blancas así como su relación con fundiciones de acero. Las fundiciones dúctiles y maleables tienen composiciones químicas similares a las fundiciones grises y blancas respectivamente, pero resultan de tratamientos especiales

que se describirían posteriormente. La tabla 6 presenta una lista de composiciones químicas para los tipos principales junto con sus propiedades mecánicas.

Fundición gris.

La fundición gris representa el mayor tonelaje las fundiciones de hierro. Tiene una composición que varía entre 2.5 y 4% de carbono y 1 a 3% de silicio. Las reacciones químicas internas derivan en la formación de hojuelas de grafito (carbono) distribuidas a todo lo largo del producto fundido en la solidificación. Esta estructura es la causa de que la superficie del metal tenga un color gris cuando su fractura; de aquí el nombre de fundición gris. La dispersión de las hojuelas de grafito representa dos propiedades atractivas: 1) buena amortiguación a la vibración, que es una característica deseable en motores y otras máquinas; y 2) cualidades de lubricación internas, que hacen maquinable la fundición.

La resistencia de la fundición gris abarca un rango significativo. La American Society for Testing Materials (ASTM) utiliza un método de clasificación para la fundición gris, que pretende suministrar las especificaciones mínimas de la resistencia a la tensión (TS, por su siglas en inglés de tensile strength) para varias clases: la clase 20 de fundición gris tiene una TS de 20000 lb/pulg (138 Mpa), la clase 30 tiene un TS de 30000 lb/pulg2 (207 Mpa) y así sucesivamente hasta alrededor de 70000 lb/pulg2 (Mpa). La resistencia a la compresión de la fundición gris es significativamente mayor que su resistencia a la tensión . las propiedades de las funciones se pueden controlar de alguna forma por tratamiento térmico. La ductilidad de la fundición gris es muy baja, es un material relativamente frágil. Los productos hechos con fundición gris incluyen monobloques y cabezas para motores de automóviles, cárteres y bases de máquinas herramientas .

Fundición nodular (dúctil).

Es un hierro con la composición del hierro gris, en el cual el metal fundido se trata químicamente antes de vaciarlo para provocar la formación de nódulos de grafito en lugar de hojuelas. El resultado es un hierro más fuerte y más dúctil, de aquí el nombre de fundición dúctil. Sus aplicaciones incluyen componentes de maquinaria que requieren alta resistencia mecánica y buena resistencia al desgaste.

Fundición blanca.

Posee menor contenido de carbono y silicio que la fundición gris. Se forma mediante un enfriamiento más rápido del metal fundido después de haberlo vaciado, esto causa que el carbono permanezca combinado químicamente con el hierro en forma de cementita, (carburo y hierro), en lugar de precipitar la solución en forma de hojuelas. Cuando la superficie se fractura tiene una apariencia blanca cristalina que da su nombre a la fundición. Debido a la cementita, la fundición blanca es dura y frágil , y su resistencia al desgaste es excelente. Su resistencia mecánica típica es buena con una TS de 40000 lb/pulg2 (276 MPA). Estas propiedades de la fundición blanca lo hacen adaptable para aplicaciones donde se requiere resistencia al desgaste. Las zapatas para freno de ferrocarril son un ejemplo clásico.

Fundición maleable.

Cuando las piezas de fundición blanca se tratan térmicamente para separar el carbono en solución y formar agregados de grafito, el metal resultante se llama fundición maleable. La nueva microestructura puede tener una ductilidad sustancial (arriba de 20% de elongación), que es una diferencia significativa con respecto al metal del cual procede. Los productos típicos hechos con fundición maleable incluyen accesorios para tubería y bridas, algunos componentes para máquinas y partes de equipo ferroviario.

Fundición de hierro aleado.

La fundición de hierro se puede alearse para obtener propiedades y aplicaciones especiales. Esta fundición de hierro aleado se puede clasificar en los siguientes tipos: 1) tratables térmicamente, que pueden endurecerse con la formación de martensita; 2) inoxidables; y 3) resistentes al calor, que contienen una alta proporción de níquel para mejorar la dureza en caliente y la resistencia a la oxidación a altas temperaturas.

Tabla 6 Composición y propiedades mecánicas de fundiciones de hierro seleccionadas

Composición típica, % Resistencia a la tensión

Tipo Fe C Si Mn Otros Lb/pulg2 (Mpa) Elongación,%Fundiciones grises

Clase 20 93.0 3.5 2.5 0.65 20.000 (138) 0.6Clase 30 93.6 3.2 2.1 0.75 30.000 (207) 0.6Clase 40 93.8 3.1 1.9 0.85 40.000 (176) 0.6Clase 50 93.5 3.0 1.6 1.0 0.67

Mo50.000 (345) 0.6

Fundiciones dúctilesASTM A395 64.4 3.0 2.5 60.000 (414) 18ASTM A476 93.8 3.0 3.0 80.00 (552) 3Fundiciones blancas Bajo-C 92.5 2.5 1.3 0.4 1.5Ni,

1Cr 0.5 Mo

40.000 (276) 0

Fundiciones maleablesFerríticas 95.3 2.6 1.4 0.4 50.000 (345) 10Perlíticas 95.1 2.4 1.4 0.8 60.000 (414) 10

Metales no ferrosos

Los metales no ferrosos incluyen elementos metálicos y aleaciones que no se basan en el hierro. Los metales de ingeniería más importantes en el grupo de los no ferrosos son el aluminio, el cobre, el magnesio, el níquel, el titanio, el zinc y sus aleaciones.

Aunque el grupo de metales no ferrosos no puede igualar la resistencia de los aceros., algunas aleaciones no ferrosas tiene características, como resistencia a la corrosión y relaciones resistencia-peso, que los hacen competitivos con los aceros en aplicaciones para esfuerzos moderados y altos. Además, muchos de ellos tienen otras propiedades distintas a las mecánicas que los hacen ideales para aplicaciones en las que el acero podría ser inadecuado. Por ejemplo, el cobre tiene una de las menores resistividades eléctricas entre los metales y es ampliamente usado para conductores eléctricos. El aluminio es un excelente conductor térmico y sus aplicaciones incluyen intercambiadores de calor y utensilios de cocina. También es uno de los metales más fáciles de formar, por esa razón es muy apreciado. El zinc tiene un punto de fusión relativamente bajo, por lo cual se utiliza ampliamente en operaciones de fundición en dados. Los metales no ferrosos comunes tienen su propia combinación de propiedades que los hacen útiles para una variedad de aplicaciones. En los siguientes nueve artículos, analizamos los metales no ferrosos más importante tanto comercial como tecnológicamente.

Aluminio

El aluminio es un metal ligero y por esta característica se especifica frecuentemente para aplicaciones de ingeniería. Es un elemento abundante en la naturaleza, el aluminio se extrae de la tierra no siendo fácil su extracción del estado que se encuentran en la naturaleza.

Tabla 7 Datos característicos del aluminio

Símbolo Al

Número Atómico 13

Gravedad especifica 2.7

Estructura Cristalina FCC

Temperatura de fusión 1220º F (660ºC)

Módulo de elasticidad 10x106 lb/pulg (69x103 Mpa

Mineral principal Bauxita (mezcla impura de Al2O3 y Al(OH)3)

Elementos de aleación Cobre, magnesio, manganeso, silicio y zinc

Aplicaciones típicas Recipientes (latas de aluminio), papel de envoltura (foil), conductores eléctricos, ollas y sartenes, partes para la construcción, aeroespacial, automotores, y otras aplicaciones en las que el peso ligero es importante.

En la tabla 7 se enlistan las propiedades y otros datos del aluminio. Entre la mayoría de los metales, es relativamente nuevo ya que data del siglo XIX. Incluiremos aquí:

1) Una breve descripción de la forma en que se produce el aluminio.2) Un análisis de las propiedades y del sistema de designación por el metal y sus aleaciones.

Producción de aluminio. El principal mineral de aluminio es la bauxita, que consta en su mayoría de óxido de aluminio hidratado (Al2O3-H2O), y otros óxidos. La extracción del aluminio a partir de la bauxita puede resumirse en tres pasos:

1) Lavado y triturado del mineral para reducirlo a polvo fino.2) Procesamiento Bayer, mediante el cual la bauxita se convierten alúmina pura ( Al2O3).3) Electrólisis para separar el aluminio de la alúmina y del gas oxígeno (O2).

El proceso Bayer, llamado así por el químico alemán que lo desarrolló, involucra una solución de polvos de bauxita en solución acuosa de sosa cáustica (NaOH) bajo presión, seguida de la precipitación del Al2O3 puro en solución. La alúmina es importante comercialmente por sí misma como un material cerámico de ingeniería.

La electrólisis para separa el Al2O3 en sus elementos constituyentes, requiere la disolución del precipitado en un baño de criolita fundida (Na3AlF6) y sujetar la solución al paso de una corriente eléctrica continua en un horno electrolitico. El electrolito se disocia para depositar aluminio en el cátodo y gas oxígeno en el ánodo.

Propiedades y esquema de designación.

El aluminio tiene una alta conductividad eléctrica y térmica, y su resistencia a la corrosión es excelente debido a la formación de una película superficial dura y delgada de óxido. Es un metal muy dúctil y notable por su facilidad de formado. El aluminio puro tiene una resistencia relativamente baja, pero puede alearse y tratarse térmicamente para competir con algunos de los aceros, especialmente cuando el peso es una consideración de importancia.

El sistema de especificaciones para el aluminio es un número de código de cuatro dígitos. El sistema tiene dos partes, una para aluminios forjados y a la otra para fundiciones de aluminio. La diferencia es que se usa un punto decimal después del tercer dígito para fundiciones de aluminio. Las designaciones se presentan en la tabla 8.

Tabla 8 Especificaciones de aleaciones de aluminio forjadas y en fundición.

Código Código

Grupo de aleación Para forjado Para fundición

Aluminio 99% o mayor pureza 1xxx 1xx.x

Aleaciones de aluminio por elementos mayores:

Cobre 2xxx 2xx.x

Manganeso 3xxx 3xx.x

Silicio y cobre y/o Magnesio

Silicio 4xxx 4xx.x

Magnesio 5xxx 5xx.x

Magnesio y silicio 6xxx 6xx.x

Zinc 7xxx 7xx.x

Estaño 8xx.x

Otros 8xxx 9xx.x

Tabla 9 Composición y propiedades mecánicas de aleaciones del aluminio seleccionadas.

Composición típica, % Resistencia a la tracción

Código Al Cu Fe Mg Mn Si temple Lb/pulg2 MPa Elongación %

1050 99.5 0.4 0.3 O 11.000 76 39

H18 23.000 159 7

1100 99.0 0.6 0.3 O 13.000 90 40

H18 24.000 165 10

2024 93.5 4.4 0.5 1.5 0.6 0.5 O 27.000 185 20

T3 70.000 485 18

3004 96.5 0.3 0.7 1.0 1.2 0.3 O 26.000 180 22

H36 38.000 260 7

4043 93.5 0.3 0..8 5.2 O 19.000 130 25

H18 41.000 285 1

5050 96.9 0.2 0.7 1.4 0.1 0.4 O 18.000 125 18

H38 29.000 200 3

6063 98.5 0.3 0.7 0.4 O 13.000 90 25

T4 25.000 172 20

Cobre y sus aleaciones

El cobre (Cu) es uno de los metales más conocidos por los seres humanos desde la antigüedad. La información básica sobre el elemento cobre se presenta en la tabla siguiente:

Tabla 10

Símbolo: Cu

Número atómico: 29

Gravedad específica: 8.96

Estructura cristalina: FCC

Temperatura de fusión: 1981ºF (1083 ºC)

Módulo de elasticidad 16 x 106 lb/pulg2 (110 x 103 Mpa)

Mineral del que se extrae: varios, ejemplo calcopirita

Elementos de aleación: estaño, zinc, aluminio, silicio, níquel y berilio.

Aplicaciones típicas: conductores y componentes eléctricos, plomería, aplicaciones marinas,

intercambiadores de calor.

Producción de cobre

En la antigüedad el cobre se encontraba disponible en la naturaleza como elemento libre. Como actualmente es más difícil encontrar esos depósitos naturales, el cobre se extrae de sus minerales que en su mayoría son sulfuros, como la calcopirita (CuFe S2). El mineral se tritura y concentra por flotación y luego se aparta (esto significa asociar la fusión con una reacción química para separar el metal de su mineral). El cobre resultante se llama cobre ampollado (blister), que tiene una pureza entre 98 y 99%. Para obtener mayores niveles de pureza se usa la electrólisis que suministra niveles adecuados para uso comercial.

Propiedades y esquema de designación.

El cobre puro tiene un color rosado rojizo característico, pero su propiedad más distintiva en ingeniería es su baja resistividad eléctrica, una de las más bajas de todos los elementos. Debido a ésta propiedad y a su abundancia relativa en la naturaleza, el cobre comercialmente puro es ampliamente usado como conductor eléctrico ( es preciso señalar que la conductividad del cobre disminuye significativamente cuando se añaden elementos de aleación). El cobre es también un excelente conductor térmico. El cobre es uno de los metales nobles ( como el oro y la plata), de suerte que es resistentes a la corrosión. Todas estas propiedades se combinan para hacer del cobre una de los metales más importantes.

Por otra parte, la resistencia y dureza del cobre son relativamente bajas, especialmente cuando se toma en cuenta el peso. En consecuencia, para mejorar su resistencia (y por otras razones), el cobre se alea frecuentemente. El bronce es una aleación de cobre y estaño (alrededor de 90 % Cu y 10% Sn), a pesar de su antigüedad ancestral aún se utiliza en la actualidad. Se han desarrollado aleaciones adicionales de bronce basadas en otros elementos fuera del estaño; éstas incluyen bronces de aluminio y silicio. El latón es otra aleación familiar de cobre, compuesta de cu y zinc (alrededor de 65% Cu y 35% Zn). La aleación con mayor resistencia del cobre es el berilio-cobre (solamente un 2% Be). Puede tratarse

térmicamente para obtener resistencias a la tensión de 150.000 lb/pulg2 (1035 Mpa). Las aleaciones Be-Cu se usan para resortes.

La especificación de aleaciones de cobre se basa en el United Numbering System for Metals and Alloys (UNS), el cual usa un número de cinco dígitos procedidos por la letra C (C de cobre). Las aleaciones se procesan en las formas forjada y de fundición, y el sistema de especificación incluye ambas. En la tabla 11 se presentan

algunas aleaciones de cobre con sus composiciones y sus propiedades mecánicas.

Tabla 11 Composición y propiedades mecánicas de aleaciones de cobre seleccionadas

CódigoComposición típica %

Resistencia a la tensión

Cu Be Ni Sn Zn Lb/pulg2 (Mpa) Elongación, %

C10100 99,99 34,000 (235) 45

C11000 99,95 32,000 (220) 45

C17000 98,00 1,7 70,000 (500) 45

C24000 80,00 20,0 42,000 (290) 52

C26000 70,00 30,0 44,000 (300) 68

C52100 92,00 8,0 55,000 (380) 70

C71500 70,00 30,0 55,000 (380) 45

C71500 70,00 30,0 84,000 (580) 3

Níquel y sus aleaciones

El níquel (Ni) es un elemento similar al hierro en muchos aspectos; véase tabla 12. Es magnético y su módulo de elasticidad es prácticamente el mismo para el hierro y el acero. Difiere del hierro es que es mucho más resistente a la corrosión y las propiedades de sus aleaciones a altas temperaturas son generalmente superiores. Debido a sus características de resistencia a la corrosión, se usa ampliamente como 1) un elemento de aleación en acero, tal como el acero inoxidable y 2) como un metal de chapeado sobre otros metales como el acero.

Producción de níquel.

El mineral es más importante de níquel es la pentlandita (Ni, Fe)9 S8 . Para extraer el níquel se tritura primero el mineral y se muele con agua. Se usan técnicas de flotación para separar los sulfuros de otras sustancias mezcladas con el mineral. El sulfuro de níquel se calienta para quemar algo de azufre y luego se funde para remover el hierro y el silicio

Tabla 12 níquel;

El refinado posterior se realiza en un convertidor tipo Bessemer para obtener una alta concentración de sulfuro de níquel. Se utiliza entonces la electrólisis para recuperar un níquel de alta pureza a partir de este compuesto. Las menas de níquel se mezclan algunas veces con menas de cobre y las técnicas de recuperación descritas aquí también producen cobre en estos casos.

Aleaciones de Níquel. Las aleaciones de níquel son comercialmente importantes por sí mismas y notables por su resistencia a la corrosión y su desempeño a altas temperaturas. La composición, la resistencia a la tensión y la ductilidad de algunas aleaciones de níquel se dan en la tabla 13. Además, un buen número de superlaciones se basan en el níquel.

Tabla 13 Composición y propiedades mecánicas de aleaciones de níquel seleccionadas.

Código

Composición típica, % Resistencia a la tensión

Ni Cr Cu Fe Mn Si Otros Lb/pulg (Mpa) Elongación, %

270 99.9 a A 50.000 (346) 50

200 99.0 0.2 0.3 0.2 0.2 C,S 67.000 (462) 47

400 66.8 30.0 2.5 0.2 0.5 C 80.000 (550) 40

600 74.0 16.0 0.5 8.0 1.0 0.5 95.000 (655) 40

230 52.8 22.0 3.0 0.4 0.4 B 125.000 (860) 47

La

solución que ingresa al Proceso de níquel requiere ser purificada, ya que puede contener algo de cobre,

Símbolo Ni

Número atómico 28

Gravedad específica 8.90

Estructura cristalina FCC

Temperatura de fusión 2647 ºF (1453 ºC)

Módulo de elasticidad 30 x 106 lb/pulg2 (209 x 103 Mpa)

Mineral del que se extrae Pentlandita (Ni, Fe)9 S8

Elementos de aleación Cobre, cromo, hierro, aluminio.

Aplicaciones típicas

Elemento de aleación en aceros inoxidables, laminado metálico en acero, aplicaciones que requieren resistencia a altas temperaturas y a la corrosión.

al igual que otros metales no deseados. La primera etapa en la purificación de esta solución es la precipitación de metales, tales como cadmio, aluminio y hierro. Una Extracción por Solventes de Zinc le sigue, donde el Zinc es removido usando un orgánico altamente selectivo. Aquí se produce una solución pura de zinc, la cual puede ser subsecuentemente electro-recuperada, si se diera el caso de que el Zinc se presentará en cantidades económicas importantes. El níquel y el cobalto son entonces recuperados de este líquido como una mezcla de hidróxido de níquel y cobalto (cake). La solución gastada de esta etapa se recicla de regreso a la Planta de Cobre. La separación del cobre y el cobalto es lograda por disolución del cake en una solución del sulfato de amonio, seguida de circuitos de Extracción por Solventes para cada uno de los dos metales. El cobalto se recupera primero, seguido del níquel. El cobalto y el níquel se recuperan como cátodos de alta pureza, utilizando circuitos de Electro-obtención estándares.

Titanio y sus aleaciones

El titanio (Ti) es mediante abundante en la naturaleza, constituye cerca del 1% de la corteza terrestre (el aluminio es el más abundante y constituye el 8%). La densidad del titanio ésta entre la del aluminio y la del hierro; y otros datos se presentan en la tabla 14. Su importancia ha crecido en las décadas recientes debido a sus aplicaciones aeroespaciales, en las cuales se explota su peso ligero y su buena razón resistencia-peso.

Producción de titanio.

El principal mineral de titanio es el rutilo, que tiene un 98 a un 99% de TiO2 , y la ilmenita, que es una combinación de FeO y TiO2 se convierte a tetracloruro de titanio. Para recuperar el metal de sus minerales, el TiO2 se convierte a tetracloruro de titanio. Para recuperar el metal de sus minerales, el TiO2

se convierte a tetraclruro de titanio (TiCl4) haciendo reaccionar el compuesto con gas cloro. Después continúan varios pasos de destilación para remover impurezas. El TiCl4 altamente concentrado se reduce entonces a titanio metálico por medio de una reacción con magnesio; éste se conoce como proceso Kroll. Se puede usar también el sodio como agente reductor. En cualquier caso, debe mantenerse una atmósfera inerte para prevenir que el O2, N2, o H2, contaminen el titanio, debido a su afinidad química por esos gases. El metal resultante se usa para hacer lingotes de fundición de titanio y sus aleaciones.

Tabla 14 titanio;

Propiedades del titanio.

El coeficiente de expansión térmica del titanio es relativamente bajo comparado con otros metales. Es más rígido y fuerte que el aluminio y tiene buena resistencia a temperaturas elevadas. El titanio puro es reactivo, lo cual presenta problemas para su procesamiento, especialmente en estado fundido. Sin embargo, forma a temperatura ambiente un delgado recubrimiento adherente de óxido (TiO2) que suministra excelente resistencia a la corrosión.

Estas propiedades dan lugar a dos principales de aplicación del titanio:

1) En estado comercialmente puro, el titanio se usa para componentes resistente a la corrosión, tales como componentes marinos, implantes y prótesis.

2) La aleaciones del titanio se usan como componentes con alta resistencia en un rango de temperaturas, desde la ambiente hasta 1000º F (550º C), especialmente donde se aprovecha su excelente relación resistencia-peso. Estas últimas aplicaciones incluyen componentes de aviones y de proyectiles. Algunos de los elementos de aleación usados con el titánio incluyen al aluminio, el manganeso, el estaño y el vanadio. En la tabla 15 se presentan algunas composiciones y propiedades mecánicas de algunas de sus aleaciones.

Tabla 15. Composiciones y propiedades mecánicas típicas de aleaciones de titanio seleccionadas.

Símbolo Ti

Número atómico 22

Gravedad específica 4.51

Estructura cristalina HCP

Temperatura de fusión 3034 ºF (1668 ºC)

Módulo de elasticidad 17 x 106 lb/pulg2 (117 x 103 Mpa)

Mineral del que se extrae Rutilo (TiO2) e ilmenita )FeTiO3 )

Elementos de Aleación Aluminio, estaño vanadio, cobre y magnesio

Aplicaciones típicas Componentes de motores de propulsión a chorro, otras aplicaciones aeroespaciales, prótesis e implantes.

CódigoComposición típica, %

Resistencia a la tensión

Ti Al Cu Fe V Otros Lb/pulg2. (Mpa) Elongación, %

R50250 99.8 0.2 35.000 (240) 24

R56400 89.6 6.0 0.3 4.0 145.000 (1000) 12

R54810 90.0 8.0 1.0 1Mo 143.000 (985) 15

R56620 84.3 6.0 0.8 0.8 6.0 2Sn 155.000 (1070) 13

Zinc y sus aleaciones

En la tabla 16 se proporciona la información básica sobre el zinc. Su bajo punto de fusión lo hace atractivo como un metal de fundición. También suministra protección contra la corrosión cuando se aplica como recubrimiento sobre el acero o hierro; el térmico acero galvanizado se refiere el acero que ha sido recubierto con zinc.

Tabla 16 zinc;

Símbolo Zn

Número atómico 30

Gravedad específica 7.13

Estructura cristalina HCP

Temperatura de fusión 786 ºF (419 ºC)

Módulo de Elasticidad 13 x 106 lb/pulg (90 x 103 Mpa)

Mineral del que se extrae Esfalerita (ZnS)

Elementos de aleación Aluminio, magnesio, cobre

Aplicaciones típicas Hierro y acero galvanizado, fundición en dados, elementos de aleación en el bronce

Producción de zinc.

La blenda de zinc o esfalerita es el principal mineral de zinc; contiene sulfuro de zinc (ZnS). Otros minerales importantes de zinc incluyen la smithsonita, que es un carbonato de zinc (ZnCO3), y la hemimorfita que es un silicato de zinc (Zn4,Si2O7OH-H2O).

La esfalterita debe concentrarse (o beneficiarse, como se llama) debido a la pequeña porción de sulfuro de zinc presente en el mineral. Esto se realiza por trituración del mineral y su posterior molienda con agua en un molino de bolas para crear una pasta acuosa. Este lodo se agita en presencia de un agente espumante, de manera que las partículas de mineral floten en la superficie y puedan desnatarse (separarse de los minerales de menor concentración). El sulfuro de zinc más concentrado se calcina entonces muy cerca de los 2300º F (1260º C), y de la reacción resultante se forma óxido de zinc (ZnO).

Para extraer el zinc de este óxido se pueden usar varios procesos termoquímicos. Con algunas variaciones, todos estos procedimientos reducen el zinc por medio del carbono. El carbono se combina con el oxígeno del ZnO para formar CO o CO2 , liberando al Zn en forma de vapor que después se condensa para recuperar el metal deseado.

También se usa ampliamente un proceso electrolítico, tan redituable que provoca cuentas cercanas a la mitad de la producción mundial de zinc. Este proceso empieza también con la preparación del ZnO, el cual se mezcla con ácido sulfúrico diluido (H2SO4) y se somete a la electrolisis para separar el metal puro de la solución resultante de sulfato de zinc (ZnSO4).

Aleaciones de zinc y sus aplicaciones. Las aleaciones de zinc se usan ampliamente n la fundición de dados para producciones masivas de componentes destinados a la industria automotriz y de accesorios. Otra aplicación importante del zinc se encuentra en la galvanización del acero. Como su nombre lo indica, se crea una celda galvánica en el acero galvanizado (Zn es el ánodo y el acero es el cátodo), la cual protege de los ataques de la corrosión. Finalmente, un tercer uso importante del zinc se encuentra

en el latón. Como se señalo antes, esta aleación consiste en dos metales, cobre y zinc en la relación aproximada de dos terceras partes de Cu y una tercera parte de Zn. Esta aleación fue descrita ya en nuestro análisis del cobre. En la tabla 16, se enlistan varias aleaciones de zinc y sus datos relativos a la composición, resistencia a la tensión y aplicaciones.

Plomo y estaño.

El plomo y el estaño se consideran muchas veces juntos, debido a su baja temperatura de fusión y que constituyen la aleación de soldadura blanda utilizada para hacer las conexiones eléctricas. La información básica para el plomo y el estaño se presenta en la tabla 17.

Tabla 17 Composiciones, resistencia a la tensión y aplicaciones de aleaciones de zinc seleccionadas.

CódigoComposición típica, % Resistencia a la tensiónZn Al Cu Mg Fe Lb/pulg2 (Mpa) Aplicación

Z33520 95.6 4.0 0.25 0.04 0.1 41.000 (283) Fundición en dados

Z35540 93.4 4.0 2.5 0.04 0.1 52.000 (359) Fundición en dados

Z35635 91.0 8.0 1.0 0.02 0.6 54.000 (374) Aleación para fundición

Z35840 70.9 27.0 2.0 0.02 0.07 62.000 (425) Aleación para fundición

Z45330 98.09 1.0 0.01 33.000 (227) Aleación para laminado

Tabla 18 plomo y estaño.

Plomo Estaño

Símbolo Pb Sn

Número atómico 82 50

Gravedad específica 11.35 7.30

Estructura cristalina FCC HCP

Temperatura de fusión 621 ºF (327 ºC) 449 ºF (232 ºC)

Módulo de elasticidad 3 x 106 lb/pulg2

(21x 103 Mpa)

6 x 106 lb/pulg2

(42 x 103 Mpa)

Mineral del que se extrae Galena (PbS) Cassiterite Casiterita (SnO2 )

Elemento de aleación Estaño, antimonio Plomo, cobre

Aplicaciones típicas Véase el texto Bronce, soldadura blanda , latas de estaño

El plomo es un metal denso con un bajo punto de fusión; otras de sus propiedades son baja resistencia, baja dureza (es apropiado el uso de la palabra suave), alta ductilidad y buena resistencia a la corrosión. Además de su uso en soldadura blanda, el plomo y sus aleaciones tienen aplicaciones en plomería (soldado de tubos), cojinetes, municiones, metales tipográficos, pantallas contra rayo X, acumuladores y amortiguadores de vibraciones. Se ha usado también ampliamente en productos químicos y pinturas. Los principales elementos de aleación son el estaño y el antimonio.

El estaño tiene un punto de fusión todavía más bajo que el plomo; otras de sus propiedades incluyen baja resistencia, baja dureza, y buena ductilidad. El uso más antiguo del estaño fue con el bronce. Esta aleación, que consiste en cobre y estaño, se desarrollo alrededor del año 3000 a.C. en Mesopotamia y Egipto. El bronce sigue siendo una aleación comercial importante (aunque su importancia relativa ha declinado durante 5000 años). Otros usos del estaño son recubrimientos delgados de recipientes de acero (latas) para almacenar alimentos y, desde luego, metal para soldadura blanda.

Tabla 2 especificaciones de aceros AISI-SAE

Análisis químico nominal. %

Tipo Nombre del acero Cr Mn Mo Ni V P S Si

10XX Al carbono 0.4 0.04 0.05

11XX Resulfurado 0.9 0.01 0.12 0.01

12XX Resulfurado Refosforado

0.9 0.10 0.22 0.01

13XX Manganeso 1.7 0.04 0.04 0.3

20XX Aceros al níquel 0.5 0.6 0.04 0.04 0.2

31XX Níquel-Cromo 0.6 1.0 0.04 0.04 0.3

40XX Molibdeno 0.8 0.25 0.04 0.04 0.2

41XX Cromo-Molibdeno 1.0 087 0.2 0.04 0.04 0.3

43XX Ni-Cr-Mo 0.8 0.7 0.25 1.8 0.04 0.04 0.2

46XX Niquel-Molibdeno 0.6 0.25 1.8 0.04 0.04 0.3

47XX Ni-Cr-Mo 0.4 0.6 0.2 1.0 0.04 0.04 0.3

48XX Niquel-Molibdeno 0.6 0.25 3.5 0.04 0.04 0.3

50XX Cromo 0.4 0.4 0.04 0.04 0.3

52XX Cromo 1.4 0.4 0.02 0.02 0.3

61XX Cr-vanadio 0.8 0.8 0.1 0.04 0.04 0.3

81XX Ni-Cr-Mo 0.4 0.8 0.1 0.3 0.04 0.04 0.3

86XX Ni-Cr-Mo 0.5 0.8 0.2 0.5 0.04 0.04 0.3

88XX Ni-Cr-Mo 0.5 0.8 0.35 0.5 0.04 0.04 0.3

92XX Silicio 0.8 0.04 0.04 0.2

93XX Ni-Cr-Mo 1.2 0.6 0.1 3.0 0.02 0.02 0.3

98XX Ni-Cr-Mo 0.8 0.8 0.25 1.0 0.04 0.04 0.3

Los aceros de baja aleación no se pueden soldar fácilmente, en especial a niveles

Tabla 3 Tratamientos y propiedades mecánicas de aceros

AISI Resistencia a la tensión

Código tratamiento Lb/pulg (Mpa) Elongación,%1010 LC 44,000 (304) 471010 EF 53,000 (366) 12

1020 LC 55,000 (380) 281020 EF 61,000 (421) 151040 LC 75,000 (517) 20

1040 EF 85,000 (587) 101055 TT 130,000 (897) 161315 Ninguno 79,000 (545) 34

2030 Ninguno 82,000 (566) 323130 TT 101,000 (697) 284130 TT 129,000 (890) 17

4140 TT 133,000 (918) 164815 TT 92,000 (635) 279260 TT 144,000 (994) 18

HSLA ninguno 85,000 (586) 20

LC = laminado en caliente; EF = estirado en frío; TT = Tratamiento térmico

Tabla 4 Composición y propiedades mecánicas de aceros inoxidables seleccionados.

Análisis químico Resistencia a la tensión

Tipo Fe Cr Ni C Mn Otros Lb/pulg (MPa) Elongación,%

Austenítico

301 73 17 7 0.15 2 90.000 (620) 40

302 71 18 8 0.15 2 75.000 (515) 40

304 69 19 9 0.08 2 75.000 (515) 40

309 61 23 13 0.20 2 75.000 (515) 40

316 65 17 12 0.08 2 2.5 Mo (515) 40

Ferrítico

405 85 13 - 0.08 1 60.000 (415) 20

430 81 17 - 0.12 1 60.000 (415) 20

Martensítico

403 86 12 - 0.15 1 70.000 (4859 20

403 86 12 - 0.15 1 120.000 (8259 12

416 85 13 - 0.15 1 70.000 (485) 20

416 85 13 - 0.15 1 140.000 (965) 10

440 81 17 - 0.65 1 105.000 (725) 20

440 81 17 - 0.65 1 260.000 (1790) 5

Análisis químico, %

Dureza

AISI Ejemplo C Cr Mn Mo Ni V W HRCT T1 0.7 4.0 1.0 18.0 65M M2 0.8 4.0 5.0 2.0 6.0 65H H11 0.4 5.0 1.5 0.4 55D D1 1.0 12.0 1.0 60A A2 1.0 5.0 1.0 60O O1 0.9 0.5 1.0 0.5 61W W1 1.0 63S S1 0.5 1.5 2.5 50P P20 0.4 1.7 0.4 40L L6 0.7 0.8 0.2 1.5 40

Tabla 6 Composición y propiedades mecánicas de fundiciones de hierro seleccionadas

Composición típica, % Resistencia a la tensión

Tipo Fe C Si Mn Otros Lb/pulg2 (Mpa) Elongación,%

Fundiciones grises

Clase 20 93.0 3.5 2.5 0.65 20.000 (138) 0.6

Clase 30 93.6 3.2 2.1 0.75 30.000 (207) 0.6

Clase 40 93.8 3.1 1.9 0.85 40.000 (176) 0.6

Clase 50 93.5 3.0 1.6 1.0 0.67 Mo

50.000 (345) 0.6

Fundiciones dúctiles

ASTM A395 64.4 3.0 2.5 60.000 (414) 18

ASTM A476 93.8 3.0 3.0 80.00 (552) 3

Fundiciones blancas

Bajo-C 92.5 2.5 1.3 0.4 1.5Ni,1Cr 0.5

40.000 (276) 0

MoFundiciones maleables

Ferríticas 95.3 2.6 1.4 0.4 50.000 (345) 10

Perlíticas 95.1 2.4 1.4 0.8 60.000 (414) 10

Materiales sinterizados.

Las piezas sinterizadas se fabrican partiendo de sustancias en polvo (por ejemplo., polvo metálico, de carburo metálico, de grafito) mediante prensado y sinterizado. De esta forma pueden combinarse sustancias que difícilmente pueden alearse o que no se pueden alear. Las piezas de forma fabricada por sinterizado no necesitan ningún mecanizado, son baratas en grandes cantidades de deslizamiento, de porosidad (filtros y cojinetes) o de hermeticidad.

Los materiales sinterizados están normalizados. Se distingue entre materiales porosos y materiales para piezas de precisión.

Los símbolos utilizados en la normalización se componen de la sílaba Sint, seguida de guión y de una letra de la A a la H, y a continuación un número de dos dígitos. El signo permite sin más reconocer el tipo o composición de la sustancia correspondiente.

Para la fabricación de las piezas sinterizadas se mezclan materiales en polvo, se prensan para formar cuerpos moldeados y a continuación o simultáneamente se sinterizan. Las presiones de prensado

que se emplean son del orden de los 60 [ kNcm2 ]

a 100[ kNcm2 ]

. La resistencia deseada en las piezas, que también es dependiente de la porosidad gobernada por la presión de prensado, se obtiene por la sinterización. La sinterización es una aglomeración de los granillos de polvo a una temperatura que está justamente debajo del punto de fusión. Con esto se hace pastosa únicamente la zona del contorno o zona marginal de los granillos, con lo cual se unen entre sí fuertemente las superficies de contacto. A veces es únicamente una parte del polvo la que se hace pastosa con ese calentamiento rodeando a las demás partículas que todavía están sólidas. La sinterización se hace generalmente en hornos de inducción a temperatura hasta los 1300ºC. Un gas protector impide la oxidación durante el proceso.

Los materiales sinterizados porosos se emplean para cojinetes autolubricantes y para filtros. Estos cojinetes sinterizados se fabrican con mezcladas de polvo de hierro refinado, con hierro, cobre, estaño y grafito. Después de calibrados se sumergen los casquillos de cojinete en aceite hirviendo o se saturan con aceite mediante succión al vacío. Pueden almacenar aceite hasta 30% de su volumen. Al calentarse el cojinete con el funcionamiento sale el aceite de los poros y lubrica las superficies de deslizamiento. Por esta razón estos cojinetes tienen buenas propiedades para funcionamiento en condiciones de escasa lubricación.

Si el bronce sinterizado se le une, además del grafito, disulfuro de molibdeno, los cojinetes preparados con este material, no necesitan ser lubricados. En vez del lubricante líquido interviene aquí una película lubricante densa y seca que se forma sobre las superficies de deslizamiento.

En el automóvil se emplean cojinetes sinterizados, en los motores de arranque, generadores, bombas de agua, accionamientos de embragues; se emplean también en construcción general de maquinaria y electrotecnia.

Con polvo de bronce en bolas y polvos de hierro o de acero cromo-níquel se hacen repuestos para filtros de vehículos (filtros de combustible y de aceite). Los materiales de sinterización para piezas de precisión tienen como materiales de partida polvos de hierro, de hierro fundido o de acero (hierro sinterizado, acero sinterizado), a los cuales se añaden en caso dado aditivos, como por ejemplo metales de aleación. Las piezas sinterizadas pueden, según el empleo que hayan de tener, ser tratadas superficialmente o templarse. El hierro y el acero sinterizados tienen aplicación para ruedas dentadas, ruedas de correas dentadas, ruedas de bombas piezas de amortiguadores, levas y muchas piezas de máquinas, así como para materiales magnéticos suaves. Los materiales de fricción sinterizados de bronce sinterizado con polvos de hierro, plomo y grafito sinterizados a un tiempo, son resistentes al desgaste y tienen buena conductibilidad térmica y son resistentes a la temperatura. Se utilizan para recubrimientos de frenos de tambor en vehículos pesados y para frenos de disco. Los materiales duros sinterizados no solamente se emplean como materiales de corte, sino también para la fabricación de piezas de desgaste. Como materiales de partida sirven principalmente los carburos de tungsteno, de titanio y de tantalio; como aglomerante se añade cobalto a causa de su bajo punto de fusión. Los metales duros tienen dureza que casi llega a igualar la del diamante. Por esta razón no pueden ser trabajados nada más que por amolado con muebles especiales de carburo de silicio. Con metal duro pueden trabajarse materiales muy duros y también los que no son fáciles para el arranque de viruta. Los metales duros son, en general, frágiles y por ello delicados frente a los choques. Mantienen sus cualidades de corte muy elevadas. Los metales duros se encuentran en el comercio con los nombres de Widia, Bohlerit y Titanit.

Precursores de los metales duro sinterizados son los metales duros colados. Estos metales son aleaciones de fusión cobalto – cromo – tungsteno, que contienen aproximadamente 65% Co, 27% Cr, 4,5% W y además C y Mo. Hoy se emplean estas aleaciones todavía para soldadura de aportación en el blindaje de superficies, por ejemplo en válvulas de escape y en anillos de asiento de válvulas. Las piezas resultan con ello extraordinariamente resistentes al desgaste. Materiales de corte oxicerámicos. Estos materiales constan principalmente de óxidos de aluminio

(Al2O3) , al cual se han añadidos otros óxidos, metales o materiales orgánicos a modo de aglutinantes. Como consecuencia de su gran dureza y resistencia al desgaste hacen posible el empleo de elevadas velocidades de corte. Se emplean para trabajos de acabado y superacabado de acero, hierro fundido, metales no férreos y materiales sintéticos. Materiales para imanes permanentes. Se fabrican partiendo del hierro , aluminio y níquel o del hierro, aluminio, níquel y cobalto, por ejemplo, el Alnico o la ferrita de bario mediante sinterización. Las escobillas de carbón para máquinas eléctricas se sinterizan a base de grafito, polvos metálicos y aglutinantes.

Tabla Nº 9, Propiedades mecánicas del cobre y del hierro sinterizado.

Material y tratamiento

Densidad

[ Lb

pu lg .3 ]Dureza

Brinell

Resistencia a la tracción

[ kLb

pu lg .2 ]Alargamient

o, %

en 5 [cm ]

Resistencia a la fluencia

[ kLb

pu lg .2 ]

Cobre:

Compactado a 50 ton/pulg2 0,283 73 1 0

Sinterizado 8 horas 800ºC 0,284 34 16 9,5

Reprensado a 50 ton/pulg2 0,302 70 22 4,0

Reprensado y resinterizado a 800ºC

0,301 39 25 17

Después de 25% de reducción en frío, recocido

0,300 39 17 16.5

Después de 50% de reducción en frío, recocido

0,309 41 25 22

Después de 75% de reducción en frío, recocido

0,318 44 33 27,5

Cobre fundido y forjado, recocido 0,323 32 50

Hierro:

Compactado a 50 ton/pulg2 0,224 70 0,5 0 0

Sinterizado 8 horas a más de 1000ºC

0,240 47 27 10 0

Reprensado a 50 ton/pulg2 0,262 67 43 5 0

Reprensado y resinterizado a más 1000ºC

0,260 63 35 21 19

25% de reducción en frío, recocido

0,266 63,5 30 15

50% de reducción en frío, recocido

0,277 68,5 32,8 21,5

75% de reducción en frío, recocido

0,279 68,5 33,8 26,0

Hierro electrolítico, fundido y recocido

0,283 67 37 50

Latón prensado en caliente:

90 Cu, 10 Zn, prensado a 900ºC 30 22 17

90 Cu, 10 Zn, fundido y forjado 37 45 10

80 Cu, 20 Zn, prensado a 900ºC 37 34 18

80 Cu, 20 Zn, fundido y forjado 44 50 14

70 Cu, 30 Zn, prensado a 800ºC 38 16 12

70 Cu, 30 Zn, fundido y forjado 47 62 15

50 Cu, 50 Zn, prensado a 700ºC 21 0 21

Tabla Nº 10, Comparación de las propiedades mecánicas de los aceros SAE y los Sinterizados.

Tratamiento SAE 1020 SAE 1040 SAE 1060 SAE 1080

SAE Sin SAE Sin SAE Sin SAE Sin

Enfriamiento en horno :

Punto de fluencia, klb/pulg2

43 37 52 40 59 42 62 57

Resistencia a la tracción, klb/pulg2

66 55 88 61 95 69 102 79

Alargamiento, % 35 25 29 21 24 13.5 20 7.5

Reducción de área, % 55 27 60 22 51 12.5 48 5.5

Enfriados por inmersión en aceite y estirados a 704ºC :

Punto de fluencia, 38 35 55 39 72 44 80 50

klb/pulg2

Resistencia a la tracción, klb/pulg2

60 52 82 55 98 63 100 69

Alargamiento, % 35 35 30 30 26 18.5 23 10.5

Reducción de área, % 65 40 60 35 61 22 56 10.5

Enfriados por inmersión en aceite y estirados a 427ºC :

Punto de fluencia, klb/pulg2

57 50 76 55 105 65 125 80

Resistencia a la tracción, klb/pulg2

77 65 110 76 144 91 175 106

Alargamiento, % 30 25 19 18 17 13.5 12 8

Reducción de área, % 58 25 48 19 48 12 40 6.5

Procedimientos de fabricación

Existe una gran variedad de procedimientos de fabricación. Esta unidad describirá algunos de ellos a modo de ilustración debido a que una profundización de estos procedimientos implica un estudio que requiere del lector la posesión de conocimientos propios de especialistas.

Metalurgia de polvos

PRODUCCIÓN DE POLVOS METÁLICOS

Prácticamente cualquier metal reducirse a la forma de polvo. Hay tres métodos principales para producir comercialmente polvos metálicos., cada uno de los cuales implica consumo de energía para incrementar el área superficial del metal. Los métodos son:

1. Atomización.2. Químicos 3. Electrolíticos.

Ocasionalmente se usan métodos mecánicos para reducir el tamaño de los polvos; sin embargo, estos métodos se asocian más comúnmente con la producción de polvos cerámicos.

Atomización

La atomización implica la conversión de un metal fundido en una nube de pequeñas gotas que se solidifican formando polvos. Es el método más versátil y popular para producir polvos metálicos en la actualidad, y aplicable a casi todos los metales, aleaciones o metales puros. Hay muchas maneras de crear el rocío de metal fundido, varias de ellas se ilustran en la figura siguiente. Dos métodos se basan en la atomización con gas, en los cuales se utiliza una corriente de gas a alta velocidad (aire o gas inerte) para atomizar el metal líquido. En la parte (a) de la figura el gas fluye a través de una boquilla de expansión, succionando el metal líquido de la fusión que se encuentra debajo y rociándolo en un recipiente. Las gotitas se solidifican en forma de polvo. En un método parecido que se muestra en la parte (b), el metal fundido fluye a través de una boquilla y se atomiza inmediatamente por chorros de aire. Los polvos metálicos resultantes se recolectan en una cámara situada debajo.

El método que se ilustra en la parte (c) es similar al (b), excepto que se utiliza una corriente de agua a alta velocidad en lugar de aire. Éste se conoce como atomizado por agua y es el más común de los métodos de atomizado, particularmente apropiado para metales que funden después de 2900º F (1600º C). El enfriamiento es más rápido y la forma del polvo resultante es más irregular que esférica. La desventaja de usar agua es la oxidación en la superficie de las partículas. Una reciente innovación usa aceite sintético en lugar de agua es la oxidación. En ambos procesos de atomizado con aire o agua, el tamaño de las partículas se controla en gran parte por la velocidad de la corriente de fluido; el tamaño de partícula está en relación inversa con la velocidad.

Varios métodos se basan e el atomizado centrífugo. Una versión es el método de disco rotatorio, mostrado en la parte (d) de la figura, donde se vacía una corriente de metal líquido en un disco que gira rápidamente y que rocía el metal en todas direcciones pulverizándolo.

Figura: métodos de atomización para producir polvos metálicos

Otros métodos de producción

Entre otros métodos de producción de polvos se incluyen varios procesos de reducción química, métodos de precipitación y electrólisis.

La reducción química comprende una serie de reacciones químicas que reducen los compuestos metálicos elementales. Un proceso común consiste en la liberación de los metales de sus óxidos mediante el uso de agentes reductores como hidrógeno o monóxido de carbono. El agente reductor se produce para combinarlo con el oxígeno del compuesto y liberar el elemento metálico. Por este método se producen polvos de hierro, de tungsteno y de cobre. Otro proceso químico para polvos de hierro implica la descomposición del pentacarbonilo de hierro para producir partículas de alta pureza. Los polvos producidos por este método se ilustran en la fotomicrografía de la figura 18.6. otros procesos químicos incluyen la precipitación de elementos metálicos de sus sales disueltas en agua. Los polvos de cobre, níquel y cobalto se pueden producir por este método.

En la electrólisis se prepara una celda electrolítica en la cual la fuente del metal a pulverizar es el ánodo. El ánodo se disuelve lentamente por la acción del voltaje aplicado, se mueve a través del electrolítico y se deposita en el cátodo. El depósito se retira, se lava y se seca, obteniéndose un polvo metálico de alta pureza. Esta técnica se usa para obtener polvos de berilio, cobre, hierro, plata, tantalio y titánio.

Prensado convencional y sinterizado

Después de la producción de polvos metálicos, la secuencia convencional de la metalurgia de polvos consiste en tres pasos:

1.- Combinación y mezclado de los polvos.

2.- Compactación, en la cual se prensan los polvos para obtener la forma deseada.

3.- Sinterizado, que implica calentamiento a una temperatura por debajo del punto de fusión para provocar la unión de las partículas en estado sólido y el fortalecimiento de la parte.

Estos tres pasos que algunas veces se aluden como operaciones primarias de la metalurgia de polvos se ilustran en la figura. en ocasiones también se ejecutan operaciones secundarias destinadas a mejorar la precisión dimensional, incrementar la densidad y para otros propósitos.

Figura: Secuencia convencional de producción en metalurgia de polvos

Mezclado y combinación de polvos

Para lograr buenos resultados en la compactación y el sinterizado, los polvos metálicos necesitan homogeneizarse perfectamente antes el proceso. Los términos mezclado y combinación se usan en este contexto. El mezclado se refiere a la mezcla de polvos de la misma composición química, pero posiblemente con diferentes tamaños de partícula. La combinación se refiere a la mezcla de polvos de diferente composición química. Una ventaja de esta tecnología es la oportunidad de combinar varios metales en aleaciones que sería difícil o imposible producir por otros medios. La distinción entre mezclado y combinación no siempre es precisa en la práctica industrial.

Figura: dispositivo de mezclado y combinación

El mezclado y la combinación se realizan por medios mecánicos. Algunas alternativas se ilustran en la figura, éstas son: (a) por rotación en tambor, (b) por rotación en un recipiente de cono doble, (c) por agitación en un mezclador de tornillo y (d) por agitación en un mezclador de paletas. En estos dispositivos hay más ciencia de la que se puede sospechar. Los mejores resultados se obtienen cuando se llenan entre un 20% y un 40% . Los recipientes se diseñan generalmente con bafles internos u otras formas para impedir la caída libre durante el mezclado de polvos de diferentes tamaños genera

segregación, precisamente lo contrario de lo que se busca con el mezclado. No es conveniente que los polvos se sometan a vibración, ya que esto también produce segregación.

Generalmente se añade otros ingredientes a los polvos metálicos durante el paso de mezclado o combinación. Estos aditivos son:

1.- lubricante, como el estearato de zinc y el aluminio en pequeñas cantidades; 2.- aglutinantes, que se requieren en algunos casos para lograr una resistencia adecuada en las partes prensadas pero no sinterizados.

3.- desfloculantes, que inhiben la aglomeración de los polvos para mejorar sus características de flujo durante la alimentación.

Compactación.

En la compactación se aplica alta presión a los polvos para darles la forma requerida. El método convencional de compactación es el prensado, en el cual punzones opuestos aprietan el polvo contenido en un dado. A la parte después de prensada se le llama compacto verde, el término verde significa que la parte no está complemente procesada. Como resultado del prensado, la densidad volumétrica inicial. La resistencia verde de la parte cuando es prensada es adecuada para el manejo, pero mucho menor que la se logra después del sinterizado.

La presión que se aplica en la compactación produce inicialmente un reempacado de los polvos en un arreglo más eficiente, elimina los puentes que se forman durante el llenado, reduce el espacio de los poros e incrementa el número de puntos de contacto entre las partículas. Al incrementarse la presión, las partículas se deforman plásticamente, ocasionando que el área de contacto partículas adicionales. Esto viene acompañado de una reducción posterior del volumen de los poros. La progresión se ilustra en la figura para partículas iniciales de forma esférica. También se muestra la densidad asociada, representada para las tres vistas como una función de la presión aplicada..

Figura: Prensado, método convencional de compactación de polvos metálicos

Figura: Efecto de la presión aplicada durante la compactación

Las prensas usadas en la compactación convencional en la metalurgia de polvos son mecánicas, hidráulicas o una combinación de las dos. En la figura se muestra una unidad hidráulica de 50 ton.

Debido a diferencias en la complejidad de los partes asociadas a los requerimientos de prensado, las prensas se pueden clasificar en

1.- Prensado en una dirección , con prensas de acción simple.

2.- Prensado en dos direcciones, con prensas de varios tipos, incluyendo las de punzones opuestos, de doble acción o de múltiple acción.

La tecnología de las prensas comúnmente disponibles puede suministrar hasta diez acciones de control separadas para producir partes de forma bastante compleja.

La capacidad de una prensa para producción en PM se da generalmente en tonelada, o kN o MN. La fuerza requerida para el prensado depende del área proyectada de la parte (área en el plano horizontal para una prensa vertical) multiplicada por la presión necesaria para compactar los polvos del metal dado. Expresando esto en forma de educación,

F = Ap pc

Donde F = fuerza requerida, lb (N); Ap = área proyectada de la parte, pulg2 (mm2 ); y pc = presión de compactación requerida para el material del polvo dado, lb/pulg2 (Mpa). Las presiones típicas de compactación fluctúan entre 10.000 lb/pulg2 ( 70 Mpa) para polvos de aluminio y 100.000 lb/pulg2 ( 700 Mpa) para polvos de hierro y acero.

Sinterizado.

Después de prensado, el compactado verde carece de fuerza y resistencia, se desmorona fácilmente al menor esfuerzo. El sinterizado es una operación de tratamiento térmico que se ejecuta sobre el compactado para unir sus partículas metálicas, incrementando de esta manera su fuerza y resistencia. El tratamiento se lleva a cabo generalmente a temperaturas entre 0.7 y 0.9 del punto de fusión del metal (en la escala absoluta). El termino sinterizado en estado sólido o sinterizado en fase sólida se usa algunas veces para este sinterizado convencional debido a que el metal permanece sin fundir a la temperatura del tratamiento.

En opinión de los investigadores, la fuerza básica que mueve el sinterizado es la reducción de la energía superficial. El compactado verde consiste en muchas partículas distintas que tienen su propia superficie, por tanto, la superficie total del área contenida en el compactado es muy alta. Bajo la influencia del calor, el área se reduce por la formación y crecimiento de las uniones entre las partículas, esto implica la reducción de la energía superficial. Mientras más fino sea el polvo inicial, más alta será la superficie del área total y más grande la fuerza que mueve el proceso.

La serie de dibujos en la figura muestra en escala microscópica los cambios que ocurren durante el sinterizado de los polvos metálicos. El sinterizado implica transporte de masa para crear los cuellos y transformarlos en límites de grano. El principal mecanismo para que esto ocurra es la difusión; otro posible mecanismo es el flujo plástico. La contracción ocurre durante el sinterizado como resultado de la reducción del tamaño de poros. Esto depende en gran medida de la densidad del compactado verde, y ésta a su vez de la presión durante la compactación. Cuando las condiciones del procesamiento se controla estrechamente, la contracción generalmente es predecible.

Figura: Sinterizado a escala microscópica

Dado que las aplicaciones de la PM involucra generalmente producciones medianas o altas, la mayoría de los hornos de sinterizado se diseñan con dispositivos mecanizados para el traslado de las partes de trabajo durante el proceso. El tratamiento térmico consiste en tres pasos realizados en tres cámaras de hornos continuos:

1.- Precalentado, en el cual se queman los lubricantes y el aglutinante.

2.- Sinterizado.

3.- Enfriado.

En la práctica moderna del sinterizado se controla la atmósfera del horno. Los propósitos de la atmósfera controlada son:

1.- Proteger de la oxidación.

2.- Proporcionar una atmósfera reductora para remover los óxidos existentes, 3.- Suministrar una atmósfera carburizadora.

4.- Ayudar a la remoción de los lubricantes y aglutinantes que se usan en el prensado.

Las atmósferas de los hornos de sinterizado comunes son: de gas inerte, basadas en nitrógeno, de amoniaco disociado, de hidrógeno y basadas en gas natural. Las atmósfera al vacío se usan al vacío se usan para ciertos metales como los aceros inoxidables y el tungsteno.

Las figuras y la tabla siguiente dan información acerca del tratamiento, temperaturas y tiempos el sinterizado para metales seleccionados.

Figura: ciclo típico de tratamiento térmico durante el sinterizado

Tabla: Temperaturas típicas y tiempos de sinterizado para polvos de metales seleccionados.

Metal Temperaturas de sinterizado

º F º C Tiempo (min.)Latón 1600 (850Ç 25Bronce 1500 (820) 15Cobre 1600 (850) 25Hierro 2000 (1100) 30Acero Inoxidable 2200 (1200) 45Tungsteno 4200 (2300) 480

Definición de plásticos

Los materiales plásticos son un conjunto de materiales de origen orgánico. Han sido obtenidos

artificialmente, a partir de productos del petróleo, carbón, gas natural, materias vegetales (celulosa) o

proteínas (caseína de la leche), y en alguna fase de su fabricación han adquirido la suficiente plasticidad

para darles forma y obtener productos industriales.

Los plásticos son materiales sintéticos denominados polímeros, formados por moléculas, cuyo principal

componente es el carbono.

En la actualidad, la cantidad de plásticos existente es enorme. Cada uno de ellos tiene unas propiedades

y aplicaciones específicas. En general, se puede decir que los plásticos son más ligeros que los metales y

es mucho fácil darles forma, manteniendo una resistencia a las deformaciones aceptable. Por ello, la

tendencia actual es la sustitución de los materiales naturales utilizados hasta ahora, tales como madera,

metales, etc., por plásticos.

Los tipos de plásticos más empleados en la actualidad, por orden de importancia, son: poliestireno,

resinas fenólicas, polipropileno y resinas úricas.

Entre las ventajas que ofrecen los plásticos, en relación con otros materiales, cabe citar: resistencia a la

corrosión y agentes químicos, aislamiento térmico y acústico, resistencia a los impactos y, finalmente,

una buena presentación estética.

En las fotografías adjuntas se muestran algunas de las muchas aplicaciones que se les da a los materiales

plásticos.

Origen y evolución de los plásticos

1864: Celuloide

En esta fecha, el norteamericano John Wesley Hyatt consiguió el primer plástico, al añadir a una solución

de nitrocelulosa (celulosa + ácido nítrico) alcanfor, en un intento de descubrir un material apto para

sustituir el marfil de las bolas de billar. Observó que el resultado obtenido era un material muy duro,

que se podía moldear, así como añadir colorantes. También podía obtenerse un «cristal» flexible en

forma de lámina.

Este nuevo material fue patentado con el nombre de celuloide, y pronto se empezó a utilizar en

asideros, mangos, manubrios, juguetes, dentaduras postizas, joyería, gemelos, broches, películas de

fotografías y cine, etc.

El problema principal era su inflamabilidad. Ello animó a Hyatt a seguir investigando y, en el año 1909,

descubrió el acetato de celulosa, con propiedades análogas y no inflamable, que se hizo famoso gracias

a la fotografía.

Actualmente, varios productos los han desplazado en la mayor parte de las aplicaciones, pero todavía se

siguen empleando. Una aplicación muy característica es la fabricación de pelotas de ping-pon.

1897: Galatita o cuerno artificial

Los físicos alemanes descubrieron que si a la caseína (proteína de la leche de vaca, que se manifiesta en

forma de cuajada en la fabricación del queso) se le añadía formol, se endurecía, pudiéndose moldear

fácilmente.

Éste fue el primer plástico barato que se empleó en la fabricación de botones, agujas de hacer punto y

en la obtención de aislantes eléctricos.

El problema que tenía era que el endurecimiento resultaba algo lento, tardando de algunas semanas

hasta, incluso, un año para objetos gruesos.

Si se calentaba a unos 70°C, se podía doblar y troquelar.

En la actualidad se emplea para fabricar mangos de cubiertos, reglas de medición y cálculo, botones,

peines, sustitutos del cuerno y del marfil, así como objetos de escritorio.

1909: Baquelita

El Dr. Leo Henrick Baekeland descubrió que podía controlar una reacción entre el fenol y el formol para

producir una resina, en forma de polvo, que después podía moldearse aplicándole calor y presión. Había

creado el primer plástico sintético.

Su plástico era muy diferente a los creados hasta este momento, ya que una vez sometido al calor ya no

se podía ablandar ni volver a moldear. Este plástico, ahora, se denomina termoestable o irreversible.

A pesar del tiempo transcurrido desde su descubrimiento, la baquelita todavía se emplea en multitud de

aplicaciones. Un ejemplo lo encontramos en plumas y bolígrafos de calidad.

COMPONENTES PRINCIPALES DE LOS PLÁSTICOS

En la constitución de los plásticos entran los siguientes elementos:

a) Materia básica. Puede ser celulosa, caseína, resina, poliuretano, etc Cada uno de ellos se obtiene haciendo reaccionar uno o dos elementos determinados, que luego se estudiarán.

b) Cargas. Se añaden a la materia básica con objeto de abaratar el producto obtenido o mejorar sus propiedades físicas, químicas o mecánicas. Para ello se utilizan fibras textiles, papel, sílice, etc.

c) Colorantes. Se añaden con objeto de obtener un plástico con el color deseado.

d) Catalizadores. Tienen por finalidad acelerar la reacción química.

Formación de los plásticos

La característica común de todos los plásticos es la de estar formados por moléculas gigantes o macromoléculas con un peso molecular comprendido entre 10.000 y varios millones.

Estas macromoléculas (también llamadas polímeros) se forman por unión de otras moléculas más pequeñas denominadas monómeros. La unión se realiza en secuencia, un monómero después de otro, formando una cadena, en el que cada monómero que se repite forma un eslabón, siendo el número de eslabones o número de unidades monoméricas el grado de polimerización.

Los plásticos son productos sintéticos, que se fabrican a partir de otros ya elaborados por el hombre. Los plásticos conocidos en la actualidad se pueden fabricar de dos maneras distintas:

a) Policondensación (polimerización por pasos). Es una reacción en la cual dos moléculas diferentes se unen, con eliminación de una molécula H20, CH30H, CIH, dando origen a un producto nuevo. Por ejemplo, un diácido reacciona con un dialcohol en presencia de un ácido como catalizador dando lugar a un poliéster.

b) Poliadición (polimerización en cadena). En la reacción que se produce entre dos monómeros con doble o triple enlace se origina un componente nuevo, pero no hay eliminación o separación de otra sustancia.

Tipos de plásticos.

Los plásticos se pueden clasificar atendiendo a dos criterios: a la procedencia de la materia prima y

a la posibilidad de que puedan ser reciclados o no.

Atendiendo a la procedencia de la materia prima, se pueden clasificar en plásticos naturales y plásticos sintéticos. los primeros han tenido, y todavía tienen, una gran importancia en el mundo industrial, pero son los sintéticos los, que acaparan la mayor parte de las aplicaciones.

Según sus propiedades se dividen en dos grandes grupos:

Celulosa

Caseína

Caucho

Celuloide (celulosa + ácido nítrico + alcanfor)Cellón (Celulosa + ácido acético)Celofán (celulosa + disufuro de carbono + sosa cáustica)

Galatita o cuerno artificial (caseína + dormaldehído)

Natural

Sintético

Goma blanda (látex + del 3 al 20% de S)Goma dura (EBONITA)Goma esponjosa (látex + azufre en polvo)

a) Termoplásticos. Son aquellos que al ser calentados a determinadas temperaturas (entre 50° y 200°C) vuelven a un estado de plasticidad que les permite ser moldeados. Teóricamente, se puede moldear un número de veces ilimitado. Esto permite recuperar todos los plásticos de desecho (que pertenezcan a este grupo), para ser remodelados y formar nuevos objetos.

Los termoplásticos se podrían comparar con la cera, que a temperatura ambiente tiene una forma sólida y en cuanto se calientan se ablandan y se pueden moldear de nuevo.

Generalmente, estos plásticos son flexibles y resistentes a los golpes.

b) Termoestables. Son aquellos que una vez moldeados por el calor, no pueden modificar su forma. Son duros, aunque frágiles. Estos plásticos son comparables a la arcilla, que una vez endurecida, debido al calor, no es posible que vuelva a adquirir una forma maleable.

Comienza con la obtención del plástico, mediante procesos químicos, en el punto (0), que generalmente se transforma en granos o trozos pequeños (1). En el punto (2), se obtiene una masa pastosa (plástica) mediante calor. El punto (3) representa un método genérico de obtención de plástico.

El producto obtenido (4) se utiliza hasta que se rompe, desgasta o bien se da por finalizada su utilidad (punto 5).

La tendencia actual es el reciclado de la mayoría de los productos plásticos; para ello se introduce en un contenedor (6), que ya empiezan algunos ayuntamientos a colocar en nuestros barrios.

Al llegar al punto (7), de selección de plásticos, los termoplásticos siguen el ciclo, mientras que los termoestables se pueden reciclar de nuevo (10) a través de los procedimientos químicos o aprovechar su valor calorífico, ya que es equivalente al de los combustibles como el petróleo o el gas.

Familia de plásticos más importantes

Naturales

Sintéticos

(origen orgánico)

Estudio de cada uno de los diferentes plásticos

PROCEDENTES DE MATERIALES NATURALESFueron los primeros que se emplearon, pero en la actualidad se utilizan muy poco.

a) Derivados de la celulosaTodos estos derivados son termoestables.

Celuloide: A pesar de su alta inflamabilidad y de no poder ser moldeado con los métodos tradicionales, sigue empleándose en la obtención de pelotas de ping-pon, rodillos, tubos, papeles plastificados y hojas, films, etc.

El mayor inconveniente es que al cabo de 4 o 5 años se hace frágil y quebradizo.

Cellón: Tiene una densidad de 1,4 kg/dm3.

Se obtiene añadiendo ácido acético a la celulosa. las propiedades son análogas al celuloide,

excepto que no es tan inflamable (aunque arde sin llama).

Se emplea para capa intermedia de vidrios compuestos inastillables, monturas de gafas, barnices,

etc.

Celofán : Se obtiene disolviendo la celulosa en disulfuro de carbono y soda cáustica, con lo que se consigue una solución pastosa, llamada viscosa. Esta viscosa se hace pasar, a través de una ranura larga y, estrecha, a un baño de ácido, donde se produce su transformación en celofán.

El celofán se emplea como medio de envasado o empaquetado. La lámina o película puede ser

transparente o bien coloreada.

b) Derivados de la caseínaYa han sido estudiados con anterioridad.

c) Derivados del cauchoCaucho natural.

Es un jugo lechoso, denominado látex, exudado por los cortes hechos en la corteza de un árbol tropical, llamado Hevea. La producción anual de un árbol suele variar entre 1 y 3 kg.

El látex se coagula rápidamente, lo que quita a la materia sus propiedades elásticas. Para evitarlo, se le añade ácido fórmico, de manera que se obtiene lo que se denomina caucho crudo, coagulado.

Este caucho crudo tiene el problema de que por debajo de –10°C se vuelve quebradizo y por encima de los 25°C se hace pegajoso; pero este problema se soluciona mediante la vulcanización. El proceso es el siguiente:

Trituración del caucho crudo. Se mezcla con azufre. Se eleva la masa a una temperatura superior a la de fusión del azufre

(unos 142°C) y se somete toda la masa a una presión de 5 atmósferas sobre el molde en el que se quiere obtener la pieza.

Cuanto más azufre se añade, más aumenta la dureza, la resistencia a la tracción, a los agentes químicos y a la oxidación. De esta manera se puede obtener:

o Goma blanda- Se obtiene mezclando del 4 al 20 % de azufre. Cuanto menos

azufre tenga más dilatable y elástica será.- Debido a un proceso de envejecimiento natural de la goma, al cabo

de algún tiempo se vuelve frágil, pierde elasticidad y se hace pegajosa.

- Para que duren más tiempo (y no absorban humedad) se suelen espolvorear con talco.

o Goma dura (ebonita)- Se obtiene mezclando del 20 al 50 % de azufre.- Este tipo de goma se puede trabajar por arranque de viruta, pero

desgasta las herramientas rápidamente.- Se emplea para manivelas, volantes de dirección de automóviles,

baterías eléctrica, etc.

o Goma esponjosa- Se obtiene haciendo que el caucho sea agitado con azufre en polvo

y otros elementos para conseguir espuma.- Posteriormente, se vierte la espuma en moldes y se vulcaniza

(elevando la temperatura y la presión).- Se emplea en: colchones, almohadillas, esponjas de baño, etc.

Caucho sintético

Se obtuvo por primera vez en Alemania, durante la Primera Guerra Mundial. Tiene la ventaja de disponer de unas propiedades parecidas a las del caucho natural (impermeabilidad, plasticidad, etc.) y de poderse fabricar por síntesis a partir de derivados del petróleo.

Los polímeros (que son termoplásticos más conocidos hasta la fecha son:

o Los buna: polímeros de butadieno (hidrocarburo) + sodio.

o La perbunan: polímero de butadieno + acrinitrilo. Es especialmente resistente al ataque del aceite y la bencina, por lo que resulta muy adecuado para juntas y arandelas.

Al igual que con el caucho natural, se vulcanizan con azufre. Pueden trabajarse mezclados con caucho natural (para fabricación de neumáticos) o solos. Tienen la ventaja de resistir mejor el calor y el envejecimiento.

Se pueden formar, igualmente, gomas blandas, duras y esponjosas.

El caucho sintético está sustituyendo, en un porcentaje muy alto, al caucho natural, debido a los elevados precios, excesiva demanda y mejores propiedades.

Se emplea, igual que el caucho natural, para membranas, mangueras de agua, juntas radiales, neumáticos para ruedas de automóviles, etc.

PLÁSTICOS SINTÉTICOS

Estos plásticos, que proceden de productos manufacturados por el ser humano, han sustituido, en un

porcentaje muy alto, a los procedentes de materias naturales. Vamos a hacer un estudio somero de los

más importantes.

TermoestablesEstos plásticos, una vez que se han endurecido, ya no se reblandecen nuevamente,

por mucho que se calienten, a no ser que se les aplique algún tipo de disolvente. Por ello, los desperdicios producidos al trabajarlos carecen de valor ya que no pueden volver a fundirse.

El endurecimiento de estos plásticos también puede obtenerse por reacción química mediante catalizadores) sin necesidad de calentamiento alguno. Generalmente, arden mal y son difícilmente soldables. Entre los más importantes se encuentran:

o Resinas fenólicas- Se obtienen como combinación química del fenol (derivado del carbón) y del

formaldehído.- El olor del fenol se mantiene en los productos obtenidos, notándose

especialmente cuando se calientan, por lo que no es adecuado para la fabricación de recipientes alimenticios.

- Casi todas estas resinas fenólicas se suelen utilizar mezcladas con cargas para mejorar sus propiedades. Así se pueden distinguir:

Prensadas

Las cargas de relleno suelen ser polvo mineral, serrín, fibras textiles, recortes de tejidos, etc.

Las piezas obtenidas son buenos aislantes de la electricidad. Las aplicaciones más usuales suelen ser plumas estilográficas,

aspiradores de polvo, interruptores eléctricos, aparatos de teléfono, carcasas de motores, etc. Los nombres comerciales más populares son: Baquelita, Durita, Trolitrán, etc.

Formando capas

Si sobre la solución de resina fenólica se empapan bandas de tejido, láminas de papel y chapas de madera, y se dejan endurecer, se obtienen placas de tejido, papel y chapas de madera dura, respectivamente, que tienen la ventaja de no absorber la humedad y de resistir muy bien los golpes o choques.

Con ellos se fabrican martillos y mazas que no dañan las piezas que golpean, engranajes silenciosos, casquillos de cojinetes, aislantes, lanzaderas para telares, etc.

o Resinas úricas- Se obtienen a partir de la urea sintética (procedente del nitrógeno del aire) y

del formaldehído.- Esta resina es insensible a la luz, por lo que se puede emplear para obtener

piezas de colores blancos y claros.- No tiene olor ni sabor alguno, por lo que se puede emplear en recipientes

alimentarlos.

- Se trabaja de la misma forma que las resinas fenólicas para constituir masas prensadas.

- Las aplicaciones más normales son aislamientos eléctricos, pantallas, vajillas, material espumoso para aislamientos térmicos y acústicos, etc.

- Los nombres comerciales más importantes son Formica, Resopal y Polopas.

o Resinas melamínicas- Se fabrican con melamina (obtenida del carburo cálcico) y formaldehído.- Las características y aplicaciones son muy similares a las resinas úricas.

Tampoco desprenden olor ni sabor, lo que las hace útiles para productos alimentarlos.

- Nombres comerciales: Novoplas y Ultrapas.

o Resinas de poliéster- Se obtienen de derivados del alquitrán de hulla y del estirol.- Estas resinas son incoloras y transparentes. Se pueden colorear a voluntad. El

endurecimiento se obtiene mediante calor a presión o en frío, sin presión o añadiéndole catalizadores.

- Pueden resistir temperaturas de entre 100 y 200°C sin deteriorarse.- Se emplean en recubrimientos de fibra de vidrio (para construcción de barcos,

aviones, etc.) y placas transparentes para cubiertas.- Algunas de las denominaciones comerciales son: Tronex, Lamilux, Spimalit y

Filón.

o Resinas de epóxido- Tienen como materia básica acetileno y una clase de fenol (bisfenol A). En

estado líquido son venenosas y sus vapores irritan la piel, pero una vez endurecidas y en estado sólido son inodoras e insípidas.

- Resisten muy bien los ácidos y las lejías, así como temperaturas de hasta 120 a 1 50°C.

- Son fáciles de trabajar por arranque de viruta.- Tienen unas buenas características mecánicas así como resistencia al

desgaste, por ello se emplean en la construcción de herramientas sencillas para el trabajo de chapas.

- Son muy buenos aislantes eléctricos.- Se adhieren fácilmente a los metales, con lo que constituyen un buen

pegamento para estos materiales.- Las aplicaciones más usuales son:

Disueltas en acetona, dan origen a barnices y laca, que, aplicadas sobre metales y otros materiales y sometidas a temperaturas del orden de 150 a 200°C se endurecen. Son los denominados barnices al fuego, muy resistentes a los arañazos.

Recubrimiento de conductores eléctricos, como aislantes.

- Las denominaciones comerciales más importantes son: Araldit, Epoxín y Metallón.

o Poliuretano- Se obtienen por poliadición de un poliéster (denominado desmofén) y un

derivado del benzol (el desmodur).- Las propiedades del poliuretano obtenido dependen de las proporciones que

tengan ambos elementos de la poliadición.- Se obtienen tres tipos de productos:

Materiales esponjosos y elásticos: esponjas, rellenos de almohadas y colchones, goma espuma, etc.

Materiales espumosos duros: aislantes para el calor y sonido (inyectables en paredes o rígidos).

Materiales macizos con elasticidad: juntas de goma elásticas, correas trapezoidales, ruedas de fricción, etc.

Pegamentos: constan de dos partes; el pegamento en sí y un catalizador, que mezclados y unidos a las piezas metálicas a pegar proporcionan una unión resistente y duradera.

Barnices: de gran dureza vítrea.

- Las denominaciones comerciales son: Para el material espumoso: Moltoprén. Para el material macizo: Goma-Vulcollán. Para adhesivo: Pegamento Desmocoll.

TermoplásticosEstos plásticos tienen la ventaja de que se pueden reciclar y, por tanto, no se

producen desperdicios como consecuencia de los recortes, roturas o desgaste de las piezas con ellos fabricados. Sin embargo, tienen un gran inconveniente, que radica en la poca resistencia mecánica que ofrecen en cuanto aumenta la temperatura, por ello se suelen emplear, preferentemente, en aquellas aplicaciones en las que la temperatura existente es la del ambiente.

o Polivinílicos- Se obtienen por polimerización del acetileno y el ácido clorhídrico.- El más importante es el cloruro de polivinilo (PVC), por lo que el estudio de los

polivinilos se va a centrar única y exclusivamente en él.- En su estado original es un material duro, pero mediante adiciones se puede

ablandar hasta dejarlo plástico como el cuero.- Resiste muy bien el ataque de lejías, ácidos y gasolina.- Aplicación:

En estado duro Tuberías y conducciones de agua residuales.

Carcasas de bombas, válvulas y llaves de paso.

En estado blando En tapizados, como cuero artificial. Para máquinas, zapatillas, trajes protectores, guantes.

Abrigos, impermeables, recubrimientos de mercancías. Aislamiento de calles.

o Poliestireno- Se obtienen del estirol (derivado del petróleo) y del benzol.- Son transparentes, pudiéndose colorear a voluntad.- Se fabrican de dos formas:

Poliestireno duro Es frágil. Se emplea mucho como films (película delgada y

transparente) para embalajes y envoltorios de productos frescos, ya que ofrece una alta permeabilidad al vapor de agua y, por tanto, a la entrada de oxígeno. Este film es un poco rígido. Se utiliza, sobre todo, en envoltorios de bandejas para tomates, lechugas, etc.

Con él se fabrican escuadras, reglas, cartabones, bolígrafos, etc.

Poliestireno expandido (conocido también como «corcho blanco») Es bastante rígido. Tiene una buena tenacidad, gran resistencia a los hongos y

bacterias, absorbe muy poca agua y no tiene efectos tóxicos.

Por tratarse de un plástico espumado tiene una densidad muy baja.

Su resistencia química es aceptable. Es muy empleado para el envasado y embalaje de

productos delicados y como aislante del calor y del sonido.

o Polietileno- Se obtiene directamente del petróleo. Está compuesto de carbono e

hidrógeno y al quemarse se combina con el aire formando agua y dióxido de carbono, elementos naturales en el medio ambiente.

- A la misma familia pertenecen también los polipropilenos y los poleotilenos.- Resisten bien los ácidos, lejías y disolventes usualmente empleados, siendo

atacados por las acetonas y éteres.- Son transparentes y ligeros.- Son un buen aislante eléctrico.- Existen dos grandes grupos:

Polietileno duro (o también llamado de alta densidad) Soporta temperaturas entre -200 y +100 °C. Se emplea en artículos domésticos: grifos, válvulas,

bidones, cubos, cantimploras, botellas, jeringuillas de un solo uso, mascarillas de oxígeno, etc.

Polietileno blando (de baja densidad) Es el que más se consume en los hogares. Se emplea

especialmente para fines agrícolas, sacos y bolsas, vasos, etc.

o Policarbonatos- Se obtienen a partir del ácido carbónico.- Tienen una gran resistencia a los impactos, lo mismo que al calor (no se

deforman hasta los 1 00 'C) y a la abrasión o rozamiento.- Pueden tener un color transparente, translúcido, opaco u otros. Se fabrican

nuevos materiales que permiten pasar la luz en más del 90 por 1 00; sus excelentes propiedades ópticas son comparables con el cristal y los acrílicos.

- Pueden ser mecanizados igual que los metales.- Es ignífugo (se autoapaga).- Posee una gran resistencia eléctrica, por lo que puede emplearse en placas de

circuito impreso, condensadores, etc,- Sus usos más comunes se dan en cuerpos de bombas, ventiladores, carcasas,

hélices de barcos, cristales irrompibles de aviones y trenes de alta velocidad, bandejas de comida de aviones, etc.

o Poliamidas- Se fabrican a partir del fenol.- La poliamida más conocida es el nylon.- Cuando no se colorean, su aspecto es blanco lechoso.- Son muy resistentes al desgaste por fricción. No se deforman hasta los 100°C.

Igualmente, son muy resistentes a la fatiga, al impacto y a la abrasión. También son considerados como buenos aislantes eléctricos.

- Muchos tipos de poliamidas están catalogados como autoextinguibles (calor).- Resisten muy bien el agua caliente y los detergentes.- Los filmes de nylon tienen la propiedad de ser tenaces y ofrecer una gran

barrera al oxígeno y a los olores y sabores, propiedad muy importante en el envasado de alimentos (carne fresca, productos aromáticos, envasado de café, etc.).

- Las aplicaciones más usuales se dan en cuerpos de bombas, correas de transmisión, tejidos, secadores de pelo, cinturones de seguridad; también hay tipos de poliamidas aptos para estar en contacto con los alimentos: espátulas, tenedores, etc.

o Polimetacrilatos- Conocidos también como resinas acrílicas o metacrilatos.- Se obtienen a partir de¡ gas natural, aire comprimido y la acetona.- Las maneras comerciales de suministro son en forma de polvo, planchas y

paneles redondos, tubos y barras cuadrangulares.- No se decoloran con la luz ni con el paso del tiempo (son cualidades

superiores a otros plásticos).- Son muy ligeros y resistentes, especialmente a los golpes.- Se les puede dar cualquier color. En el modelo transparente permite el paso

de la luz blanca en un 92%, lo que le asemeja al cristal, siendo así muy adecuados en la sustitución de éste.

- Conservan las propiedades durante años, después de haber estado expuestos a la intemperie, salinidad, atmósferas oxidantes, etc.

- Resisten bien los agentes químicos.- Aplicaciones. Cristales de ventanas de aviones, cerramientos en el campo de

la construcción (centros comerciales, restaurantes, museos, etc.) ya que combinan transparencia, ligereza, resistencia a la rotura, fácil mantenimiento y diseño flexible y fácil, claraboyas, pilotos posterior y anterior de automóviles, lámparas, mobiliario (mesas, estanterías, etc.), lentes para focos en marina, accesorios de baño.

- El más conocido es el plexiglás.

o Fluorocarbonos- Se obtienen a partir de acetileno.- Poseen una gran resistencia al calor y a los agentes químicos.- Tienen unas propiedades mecánicas aceptables, pudiéndose mejorar con

cargas inorgánicas o fibras de vidrio.- Los dos compuestos más utilizados son:

Politetrafluoretileno (más conocido como teflón): Es el de mayor resistencia química conocido en la

actualidad. Su superficie tiene un carácter deslizante y con muy poca

capacidad adhesiva, lo que puede hacerlo muy útil para superficies y fachadas antipintadas o que eviten graffitis en trenes y autobuses.

Se emplea en medicina (prótesis de uréter, laringe, tráquea, tendones, válvulas coronarlas, ligamentos, pieles artificiales y prótesis de cadera) así como en sartenes y cazuelas que llevan una capa antiadherente.

Para obtener los distintos productos se introduce el PTFE en forma de gránulos en moldes y se comprime elevando su temperatura por encima de los 400°C. Mediante un enfriamiento rápido el producto se hace tenaz y flexible.

Policlorotrífluoretileno: Aunque es menos resistente, desde el punto de vista

químico, que el anterior, también es menos susceptible de ser atacado por agentes ,corrosivos y disolventes orgánicos.

Es más rígido y tenaz que el teflón. Se emplea en casquillos sin lubricación, membranas para

válvulas y bombas, aislamientos de conductores eléctricos, recubrimiento de objetos metálicos para evitar la oxidación y la corrosión.

MÉTODOS DE OBTENCIÓN DE PRODUCTOS PLÁSTICOS

La fabricación de productos sintéticos se realiza, predominantemente, sin arranque de viruta.

Normalmente, se lleva a cabo partiendo de la Materia prima, que procede del plástico reciclado o

bien elaborado químicamente a través del proceso correspondiente.

Posteriormente, se hace pasar por los molinos, que la convierten en gránulos, escamas o polvo. A

continuación se introduce en moldes con la forma de la pieza a obtener.

Las piezas salen del molde terminadas, es decir, no precisan ningún proceso posterior, excepto la

eliminación de rebabas.

Los principales métodos de obtención son por prensado, inyección, transferencia, extrusión y

soplado.

PrensadoSe emplea especialmente para materiales termoplásticos. El material

pulverizado en gránulos, al que se le ha añadido la carga, se introduce en la parte inferior del molde; luego se prensa y se le aplica calor hasta que se vuelve plástico, y fluye entonces a los espacios huecos del molde que se llenan perfectamente. Una vez que la pieza se ha endurecido, se saca.

InyecciónSe emplea, sobre todo, para los materiales termoplásticos. La materia prima se

introduce en un recipiente en el que adquiere gran plasticidad.

Un émbolo comprime la masa y la hace pasar al interior del molde a través de una o varias boquillas. Después de haber endurecido, se abre el molde y se coge la pieza.

TermoconformadoEs un método que se emplea para materiales termoplásticos. Las piezas se fabrican

a partir de películas o planchas rígidas,, mediante termoconformado (deformación en caliente); para ello se coloca la película o plancha sobre el molde adecuado, de forma que apoye bien sobre los bordes.

Una vez aplicado el cierre se calienta a la temperatura necesaria, según el tipo de material, y se aplica vacío, presión, ambas cosas. Una vez frío, se desmolda.

Extrusión-soplado

Se aplica especialmente en termoplásticos para la fabricación de cuerpos huecos.

El proceso consiste en lo siguiente:

o El material termoplástico sale en estado plástico por un conducto (a), por lo que adquiere una forma tubular a su salida.

o Inmediatamente el material extruido se recoge entre las mitades de un molde de soplado y se corta por debajo de la boquilla de extrusión.

o Al cerrar el molde quedan presionadas las partes del tubo sobresalientes por el fondo. Estas rebabas se cortan y se expulsan automáticamente al abrir el molde.

o Por la cabeza se empieza a insuflar aire (caliente) a presión, con que el material se adapta a las paredes internas del molde, enfriándose al tomar contacto con el metal refrigerado (molde) automáticamente.

PLÁSTICOS MEJORADOS

La evolución y mejora de plásticos que se está consiguiendo día a día es espectacular en la que cabe

resaltar:

Plásticos reforzadosEstán formados al menos por dos tipos de materiales; uno que le confiere resistencia

a la tracción (denominado material de refuerzo, de ahí su nombre) y el otro, por algún tipo de plástico, de los estudiados anteriormente, que los une.

Ambos materiales están unidos entre sí formando un todo.

Veamos a continuación los problemas que se plantean a la hora de fabricar un plástico reforzado:

o Elección adecuada de los materiales que intervienen en el proceso (plástico y refuerzo).o Sistema de unión entre ambos.o Aplicaciones a las que se destina el producto reforzado.

El material de refuerzo suele ser fibra de vidrio, fibras orgánicas (lino, yute, madera, esparto y otros), amianto, fibras de sílice o cuarzo, fibras de carbono, fibras sintéticas, metálicas, etc.

Todos los plásticos mencionados (termoplásticos y termoestables) pueden ser utilizados para la obtención de productos reforzados. Cuando se están fabricando, se introducen las fibras (refuerzos) en su interior, mezclándolos.

Los productos obtenidos tienen propiedades superiores a los empleados para su fabricación. Así, por ejemplo, si reforzamos con fibra de vidrio, cuya resistencia a la tracción es de 5 a 6 kg/mm 2, el producto obtenido llega a alcanzar una resistencia a la tracción de 200 a 300 kg/mm2.

Científicos e ingenieros están ensayando y descubriendo nuevas aplicaciones, muchas de las cuales ya se están empleando en la fabricación de equipos deportivos, carrocerías de automóviles y barcos, alas y fuselajes de aviones, raquetas de tenis, carrocerías de camiones, parachoques de coches, cascos, maletas, esquíes, ruedas de bicicleta de tres radios, cañas de pescar, depósitos de agua y piscinas de poliéster reforzado con fibra de vidrio.

El material más resistente descubierto hasta ahora se denomina Kevlar, que resulta muy difícil de mecanizar y cortar. Se emplea sobre todo en la fabricación de neumáticos, partes de aviones, satélites de comunicaciones, y especialmente en la fabricación de chalecos antibalas.

Plásticos combinados o laminadosConsiste en colocar una capa fina de plástico, junto a otro material, para mejorar las

propiedades de ambos. A diferencia de los reforzados, aquí la capas de ambos materiales están solapadas o unidas, pero no mezcladas.

Algunas de las aplicaciones más importantes son:

o Plástico/vidrio. Por todos es conocida la fragilidad del vidrio, sobre todo de pequeño espesor, frente a choques y presiones. Para mejorarlo, Si puede recubrir de plástico, por ejemplo polietileno, que lo protege de choques y además puede servir como aislante térmico para bebidas frías o calientes. Un ejemplo de esto ha sido la invención de la botella Plastishield, patentada por la firma americana Owens Illinois.

También se emplea en la fabricación de vidrios de seguridad o antirrobo.

o Plástico/metal. En el mercado existen muchos productos metálicos que van recubiertos de una fina capa de plástico con objeto de mejorar alguna propiedad; cabe citar, por ejemplo, las latas de conserva en la que la hojalata que constituye el recipiente va recubierto de una fina capa de resina de epóxido o resina fenólica, con objeto de evitar que se oxide y entre en contacto con los alimentos.

Otra aplicación, de muy reciente invención, es la fabricación de vehículos híbridos, con estructura y carrocería de plástico/metal, por la casa Ford y laboratorios de General Motors, en la que la chapa, que aporta tenacidad, va recubierto por ambos lados de plástico (epóxido).

o Plástico/papel o cartón. Tanto el papel como el cartón ofrecen muchas ventajas en la fabricación de algunos productos, pero tienen el inconveniente del no soportar la humedad. Para ello, se recubren de un plástico, generalmente polietileno de baja densidad, por una o ambas caras. Las aplicaciones más conocidas son las empleadas en envases de leche, zumos, vino, agua, etc., en los llamados cartones tetrapack, siendo el tetrabrick el más conocido de ellos.

o Plásticos/tejidos. Tienen una gran aplicación en el terreno de los cueros sintéticos (marroquinería y tapicería), envases de tipo cojín (tejido de fibra sintética recubierto por ambos lados de poliuretano o vidrio flexible, que posee la ventaja de poderse plegar y enrollar cuando está vacío).

o Plástico/plástico. En muchos envases o embalajes que contienen productos alimenticios, cosméticos, bebidas, etc., es necesaria la combinación de varias capas (multicapas) para conseguir una resistencia exterior adecuada o característica especial para garantizar el producto interior.

Por ejemplo, en cosmética, las botellas o tarros de polietileno suelen llevar un recubrimiento externo de poliamida de grado especial.

Plásticos mejorados

Consiste en combinar los dos métodos, el reforzado y el laminado.

La invención más reciente es de origen español y se aplica en la fabricación de postes de baja y mediana tensión, postes de telefónica, faroles de iluminación, antenas de comunicación, vigas de construcción o transporte. Esta combinación está patentada con el nombre de composteel, y se encuentra formada por:

o Alma interna de acero, que da rigidez y tenacidad al conjunto.o Fibras de vidrio, de carbono o arilamida.o Resinas de poliéster, epoxi, etc.