Los materiales se clasifican generalmente en cinco grupos: metales, cerámicos, polímeros, semiconductores y materiales compuestos. Los materiales de cada uno de estos grupos poseen estructuras y propiedades distintas.
Metales. Tienen como característica una buena conductividad eléctrica y térmica, alta resistencia, rigidez, ductilidad. Son particularmente útiles en aplicaciones estructurales o de carga. Las aleaciones (combinaciones de metales) conceden alguna propiedad particularmente deseable en mayor proporción o permiten una mejor combinación de propiedades.
Cerámicos. Tienen baja conductividad eléctrica y térmica y son usados a menudo como aislantes. Son fuertes y duros, aunque frágiles y quebradizos. Nuevas técnicas de procesos consiguen que los cerámicos sean lo suficientemente resistentes a la fractura para que puedan ser utilizados en aplicaciones de carga. Dentro de este grupo de materiales se encuentran: el ladrillo, el vidrio, la porcelana, los refractarios y los abrasivos.
Polímeros. Son grandes estructuras moleculares creadas a partir de moléculas orgánicas. Tienen baja conductividad eléctrica y térmica, reducida resistencia y debe evitarse su uso a temperaturas elevadas.
Los polímeros termoplásticos, en los que las cadenas moleculares no están conectadas de manera rígida, tienen buena ductibilidad y conformabilidad; en cambio, los polímeros termoestables son más resistentes, a pesar de que sus cadenas moleculares fuertemente enlazadas los hacen más frágiles. Tienen múltiples aplicaciones, entre ellas en dispositivos electrónicos.
Semiconductores. Su conductividad eléctrica puede controlarse para su uso en dispositivos electrónicos. Son muy frágiles.
Materiales compuestos. Como su nombre lo indica, están formados a partir de dos o más materiales de distinto grupos, produciendo propiedades que no se encuentran en ninguno de los materiales de forma individual.
Ahora, comencemos con el grupo de los metales.
De los elementos que figuran en la tabla periódica, alrededor de 80 pueden ser clasificados como metales. Todos ellos tienen en común que sus electrones más externos en un átomo neutro son cedidos fácilmente. Esta característica es la causa de su conductividad, tanto eléctrica como térmica, de su brillo y maleabilidad.
El uso de metales puros es limitado, pues son blandos o tienden a corroerse. Sin embargo, toleran un considerable cantidad de elementos en estado sólido o líquido. Así, la mayor parte de los materiales metálicos comúnmente usados son mezclas de dos o más metales elementales. Es posible realizar estas mezclas de varias maneras, pero casi siempre se obtienen por la unión de metales por arriba de su punto de fusión. Esa mezcla sólida de metales o metaloides se denomina aleación.
El Instituto del Hierro y del Acero clasifica los productos metalúrgicos en las siguientes clases: F Aleaciones férreas L Aleaciones ligeras C Aleaciones de cobre V Aleaciones varias
Cada clase contiene series de materiales caracterizados por una aplicación común; a su vez, cada serie se divide en grupos de materiales con características afines y específicas. Y el grupo esta compuesto por individuos que indican un tipo definido del material considerado. Así, la identificación de un producto determinado depende de la indicación:
Clase- Serie- Grupo- Individuo
Ejemplo: F-517 donde: F = Aleación férrea 5 = Acero para herramientas 1 = Grupo de aceros de carbono 7 = Composición
Son las sustancias férreas que han sufrido un proceso metalúrgico. También llamados productos siderúrgicos, pueden clasificarse en: Hierro. Aceros. Fundiciones. Ferroaleaciones. Aleaciones férreas especiales. Conglomerados férreos.
De todos estos productos siderúrgicos, son los aceros y fundiciones los empleados por excelencia en la fabricación mecánica y ya en menor proporción, los conglomerados no férreos. De estos últimos hablaremos de forma más amplia en capítulos posteriores.
Hierro.
Nombre de un elemento químico, blanco-gris, peso especifíco 7.85, punto de fusión 1530 ° C, peso atómico 55.84, No. Atómico 26, insoluble, punto de ebullición 2450° C, magnético hasta los 770° C, resistencia a la tracción 25 Kg /mm2.
También aplica a los hierros industriales que son productos siderúrgicos de los que, solamente con carácter de impurezas pueden formar parte otros elementos.
El hierro puro carece de una gran variedad de usos industriales debido a sus bajas características mecánicas y la dificultad de su obtención. Encuentra aplicaciones en la industria eléctrica dadas sus cualidades de permeabilidad magnética.
En los capítulos siguientes trataremos los restantes subgrupos y sus características.
Continuando con los metales, este capítulo esta enteramente dedicado al siguiente subgrupo de la lista de aleaciones férreas, los aceros, debido a que actualmente tienen un lugar preponderante entre los materiales metálicos.
Acero.
Es una aleación de hierro y carbono, que puede contener otros elementos, en la que el contenido de carbono oscila entre 0.1 a 1.7 %, no rebasa el límite de su saturación al solidificar quedando todo él en solución sólida.
El carbono es el elemento principal que modifica las características mecánicas del acero, cuanto mayor es el porcentaje de carbono mayores serán la resistencia y la dureza del acero, pero también será más frágil y menos dúctil.
Clasificación de los aceros.
El Instituto del Hierro y del Acero clasifica los aceros en las siguientes series:
F-100 Aceros finos de construcción general.
F-200 Aceros para usos especiales.
F-300 Aceros resistentes a la corrosión y oxidación.
F-400 Aceros para emergencia.
F-500 Aceros para herramientas.
F-600 Aceros comunes.
Cada una de estas series de subdivide en grupos, obteniendo:
Grupo F-110 Aceros al carbono.
Grupo F-120 Aceros aleados de gran resistencia.
Grupo F-130 " "
Grupo F-140 Aceros aleados de gran elasticidad.
Grupo F-150 Aceros para cementar.
Grupo F-160 " "
Grupo F-170 Aceros para nitrurar.
Grupo F-210 Aceros de fácil mecanizado.
Grupo F-220 Aceros de fácil soldadura.
Grupo F-230 Aceros con propiedades magnéticas.
Grupo F-240 Aceros de alta y baja dilatación
Grupo F-250 Aceros de resistencia a la fluencia.
Grupo F-410 Aceros de alta resistencia.
Grupo F-420 " "
Grupo F-430 Aceros para cementar.
Grupo F-510 Aceros al carbono para herramientas.
Grupo F-520 Aceros aleados.
Grupo F-530 " "
Grupo F-540 " "
Grupo F-550 Aceros rápidos.
Grupo F-610 Aceros Bessemer.
Grupo F-620 Aceros Siemens.
Grupo F-630 Aceros para usos particulares.
Grupo F-640 " "
Formas comerciales del acero.
El acero que se emplea para la construcción mecánica y metálica tiene tres formas usuales: barras, perfiles y palastros.
Barras. Se obtienen en laminación y trefilado en hileras pudiendo obtener secciones de las siguientes formas:
Pletinas. Cuando el espesor es igual o menor de la décima parte del ancho de la sección. Cuando el espesor es más delgado, se llaman flejes.
Media caña o pasamanos.
Triángulo
Cuadrado
Hexágono y 120 mm. El acero dulce con d £ 5 y grandes
Redondo
Perfiles. Se obtienen por laminación, siendo su longitud de 4 a 12 m. los más corrientes son:
Doble T Utilizadas como vigas las hay hasta de 600 mm de altura.
U Forma vigas compuestas. Hasta 300mm de altura
Zeta De dimensiones comprendidas entre 30 a 200 mm
Tubo Que puede ser de sección cuadrada, circular, etc.
Aceros: composición química.
En el acero, además de hierro y carbono como elementos fundamentales, intervienen elementos accidentales, entre ellos el azufre y el fósforo, que dada su afinidad con el acero, son difíciles de eliminar, no obstante se reducen a proporciones inofensivas (< 0.05 %); otros elementos facilitan la obtención, como el silicio y el manganeso que adicionados en pequeñas proporciones (0.2 a 0.9 %) evitan la oxidación del metal fundido, el resto (97.5 a 99.5%) es hierro. Los aceros con esta composición se llaman aceros al carbono.
Atendiendo al porcentaje de contenido en carbono, estos aceros suelen denominarse como se indica en el siguiente cuadro:
Porcentaje de Carbono | Denominación | Resistencia |
0.1 a 0.2 | Aceros extrasuaves | 38 – 48 Kg / mm2 |
0.2 a 0.3 | Aceros suaves | 48 – 55 Kg / mm2 |
0.3 a 0.4 | Aceros semisuaves | 55 – 62 Kg / mm2 |
0.4 a 0.5 | Aceros semiduros | 62 – 70 Kg / mm2 |
0.5 a 0.6 | Aceros duros | 70 – 75 Kg / mm2 |
0.6 a 0.7 | Aceros extraduros | 75 – 80 Kg / mm2 |
Aceros aleados y especiales.
Además de los elementos de los aceros al carbono, tienen adicionados elementos como: cromo, níquel, molibdeno, tungsteno, vanadio, etc., la adición de tales elementos modifica o mejora las propiedades del acero. Los efectos que proporciona cada uno de los elementos son los siguientes:
Azufre.
Se encuentra en los aceros como impureza, se toleran porcentajes hasta un 0.05 %, en caliente produce una gran fragilidad del acero, sus efectos perjudiciales pueden neutralizarse en parte con la adición del manganeso, que se combina con él formando sulfuro de manganeso. A veces se adiciona en proporciones de 0.1 a 0.3 % con un contenido mínimo de manganeso de 0.6 %, dando lugar a aceros llamados de fácil mecanización, que tienen menor resistencia, pero pueden ser trabajados con velocidades de corte doble que un acero corriente.
Cobalto.
Se usa en los aceros rápidos para herramientas, aumenta la dureza de la herramienta en caliente. Se utiliza para aceros refractarios. Aumenta las propiedades magnéticas de los aceros.
Cromo.
Forma carburos muy duros y comunica al mayor dureza, resistencia y tenacidad a cualquier temperatura. Solo o aleado con otros elementos, proporciona a los aceros características de inoxidables y refractarios.
Manganeso.
Se utiliza fundamentalmente como desoxidante y desulfurante de los aceros.
Molibdeno.
Junto con el carbono es el elemento más eficaz para endurecer el acero. Evita la fragilidad.
Níquel.
Aumenta la resistencia de los aceros, aumenta la templabilidad proporciona una gran resistencia a la corrosión.
Plomo.
El plomo no se combina con el acero, se encuentra en él en forma de pequeñísimos glóbulos, como si estuviese emulsionado, lo que favorece la fácil mecanización por arranque de viruta, (torneado, cepillado, taladrado, etc.) ya que el plomo es un buen lubricante de corte, el porcentaje oscila entre 0.15 y 0.30 % debiendo limitarse el contenido de carbono a valores inferiores al 0.5 % debido a que dificulta el templado y disminuye la tenacidad en caliente.
Silicio.
Se emplea como desoxidante en la obtención de los aceros, además les proporciona elasticidad. Si la proporción es elevada (1 a 5%) los aceros tienen buenas características magnéticas.
Tungsteno.
Forma con el hierro carburos muy complejos estables y durísimos, soportando bien altas temperaturas. En porcentajes del 14 al 18 %, proporciona aceros rápidos con los que es posible triplicar la velocidad de corte de loa aceros al carbono para herramientas.
Vanadio.
Posee una enérgica acción desoxidante y forma carburos complejos con el hierro, que proporcionan al acero una buena resistencia a la fatiga, tracción y poder cortante en los aceros para herramientas.
Toda esta información es sólo la punta del iceberg respecto a los aceros, sin embargo es más que suficiente material de estudio para un capítulo. En la próxima entrega, tendremos lo correspondiente a fundiciones, ferroaleaciones, aleaciones férreas especiales y conglomerados férreos.
Ahora, vamos completar nuestro estudio de los materiales metálicos férricos con los últimos cuatro grupos.
Fundición.
Es una aleación de hierro y de carbono, pudiendo contener otros elementos , estando el carbono en una proporción superior al 1. 76 % (generalmente de 2 a 5 %), valor que constituye el límite de saturación en la solidificación , formándose en tal momento los constituyentes de carburo de hierro y grafito libre además del hierro.
Clasificación de las fundiciones.
Las características de una fundición no sólo dependen de su composición química, sino también del proceso de elaboración, ambas cosas determinan la forma de presentarse el carbono (combinado, en forma de grafito laminar, esferoidal, etc.)
Se distinguen dos grandes grupos de fundiciones: ordinarias, constituidas por hierro, carbono y pequeñas impurezas y las especiales que además de lo anterior, contienen uno o varios elementos que modifican sus características.
Las fundiciones ordinarias se pueden clasificar por el aspecto de su fractura distinguiéndose las cuatro siguientes:
· Fundiciones negras
· Fundiciones grises
· Fundiciones blancas
· Fundiciones atruchadas
Fundiciones negras son aquellas que presentan facetas negras brillantes, muy desarrolladas, formadas por cristales de grafito, su grano grueso.
Las fundiciones grises tienen un aspecto color gris brillante con grano fino. Estas fundiciones contienen el carbono en estado grafítico repartido en finas laminas por entre la masa de hierro. La fundición gris se emplea para ,la mayoría de las piezas mecánicas que han de servir de soporte o de alojamiento de los mecanismos.
En las fundiciones blancas, el carbono esta completamente combinado con el hierro, formando carburo de hierro (cementita) que es un constituyente muy duro, pero frágil.
Fundiciones atruchadas, son intermedias entre la blanca y la gris, poseen propiedades intermedias entre ambas fundiciones y su fractura presenta ambos colores característicos.
Las fundiciones no permiten operaciones de forja.
La clasificación establecida por el Instituto del Hierro y el Acero de las fundiciones utilizadas en al construcción mecánica es la siguiente: Serie F-800 Fundiciones. Grupo F-810 Fundiciones grises. Grupo F-830 Fundiciones maleables. Grupo F-840 Fundiciones maleables perlíticas. Grupo F-860 Fundiciones nodulares. Grupo F-870 Fundiciones especiales.
Fundición maleable
Es la obtenida a partir de una fundición blanca mediante el adecuado tratamiento térmico, adquiriendo una aceptable maleabilidad.
Fundiciones nodulares
En estas fundiciones el grafito solidifica en forma de pequeñas esferas, gracias a la adición de elementos tales como el cerio y el magnesio, con lo cual aumenta considerablemente su resistencia a la tracción.
Fundiciones especiales.
Son fundiciones especiales aleadas con otros elementos tales como Mn, Cr, Mo, Ni, Cu, etc. Logrando propiedades determinadas: alta resistencia a la tracción, al desgaste, a las altas temperaturas, a la corrosión, etc.
Ferroaleaciones
Son productos siderúrgicos que, sin tener necesariamente un marcado carácter metálico, contiene además del hierro uno o varios elementos (metales o metaloides) que los caracterizan.
Las ferroaleaciones encuentran su empleo en la metalurgia para la fabricación de aceros que han de responder a ciertas condiciones, así:
Ferromanganesos que se utilizan en la obtención de aceros al manganeso
Ferrocromos que se emplean en la obtención de aceros al cromo
Ferrosilicios utilizados en la obtención de aceros al silicio.
Ferrotungstenos sirven para la obtención de aceros rápidos para herramientas y aceros para imanes.
Ferrovanadios y ferromolibdenos que se emplean para la fabricación de aceros al vanadio y al molibdeno, respectivamente, etc.
Aleaciones Férreas especiales.
Son las que no pertenecen a ninguno de los grupos anteriores, pero contienen hierro como metal base.
Conglomerados férreos
Son los productos obtenidos para la unión entre sí, de partículas de sustancias férreas con tal coherencia que resulte una masa compacta.
A partir de la siguiente entrega comenzaremos a estudiar lo referente a materiales metálicos no férricos.
Bueno, ya que hemos terminado de ver las generalidades de los materiales métalicos férricos, aún nos queda saber lo concerniente a aquellos materiales que no tienen relación con el hierro.
Aluminio
Es un metal de color blanco plateado, siendo su principal característica su ligereza que lo hace muy útil en variadas aplicaciones. Es dúctil y maleable, buen conductor de la electricidad y del calor. Tiene un peso específico de 2.7 Kg / dm3 y funde a los 667 °C. Su resistencia a la tracción es de unos 10 Kg / mm2 si es fundido o recocido, valor que se duplica si esta laminado en frío (agrio); esta resistencia decrece rápidamente si aumenta la temperatura, así: a 300 ° C su resistencia disminuye a un tercio y a 500 ° C a un décimo de su valor en frío.
Se distinguen dos clases de aluminio: puro (99.88 % de Al) y técnico (99 % 98 %… de Al). El primero se emplea excepcionalmente, mientras que el aluminio técnico encuentra mayor campo de aplicaciones.
Aleaciones de aluminio.
Las propiedades mecánicas del aluminio mejoran considerablemente si se alea con otros metales, tales como el cobre, magnesio, silicio, zinc, plomo, etc. En la norma UNE 38.001 se establece la siguiente clasificación:
Serie L-200. Aleaciones ligeras de Al para moldeo.
Serie L-300. Aleaciones ligeras de Al para forja.
Serie L-400. Aleaciones ligeras de Al de alta fusión.
Cobre
Este metal puede encontrarse en estado nativo en la naturaleza, principalmente formando compuestos minerales: pirita de cobre, cobre oxidado, etc. Su obtención a partir de estos minerales es posible a través de tres procedimientos:
· Reduciendo el óxido de cobre en hornos apropiados, teniendo como producto el cobre metalúrgico.
· Por medio del tratamiento con disolventes adecuados, lo que da un cobre muy impuro al que hay que refinar.
· Por vía electrolítica, con lo que se obtiene un cobre muy puro.
Según su pureza, las características del cobre varían, manteniéndose dentro de los siguientes límites: – Densidad 8.8-8.9 – Punto de fusión 1,0564 ° C – 1,083° C – Resistencia a la tracción 20 45 Kg. / mm2
Sólo se oxida superficialmente y su color rojizo se vuelve verdoso.
El cobre es muy maleable pudiendo laminarse en hojas hasta de 0.02 mm de espesor, también permite estirarlo en hilos finísimos. Sus principales aplicaciones son: fabricación de hilos, cables, láminas, en instalaciones eléctricas, en la construcción de recipientes y útiles diversos, además de en la fabricación de múltiples aleaciones.
Denominación
La serie que denomina a los cobres es la C-100, siendo los respectivos grupos los siguientes: Grupo C-100 Cobres afinados. Grupo C-130 Cobres exentos de oxígeno. Grupo C-140 Cobres desoxidados.
Algunas de las aleaciones de cobre más conocidas son el bronce, que es la aleación de cobre con estaño y el latón que es una aleación de cobre y zinc.
Zinc
Metal de color blanco azulado, de aspecto brillante en el corte reciente que pronto se empaña al contacto con el aire, formándose una capa de superficial de hidrocarbonato cíncico de aspecto mate, pero que servirá de protección al resto de la masa contra una alteración más profunda.
Su peso específico es del orden de 7.1 Kg. / dm3, su temperatura de fusión 419 ° C. A bajas temperaturas e incluso a temperatura ambiente el zinc común es bastante frágil., pero entre los 100 a 180 ° C es muy maleable, haciendo posible conformar piezas a prensa incluso de perfiles complicados, por encima de los 205 ° C vuelve a ser frágil. La resistencia de la tracción de los productos laminados oscila entre 14 a 25 Kg. / mm 2 según se encuentren recocidos o agrios. Es poco tenaz. El aspecto de su fractura es cristalino grueso.
El zinc es atacado y disuelto en poco tiempo por los ácidos fuertes y también por los álcalis hirvientes.
Aplicaciones
Este metal tiene hoy numerosas aplicaciones industriales, solo o aleado, por ejemplo, con el cobre para formar latón o con pequeñas proporciones de aluminio (14 %), cobre (1 %) y aún menor cantidad de manganeso para obtener la aleación para fundir denominada ZAMAK. Además, es usado para recubrir y proteger contra el óxido la chapa de hierro (metalizado y galvanizado)
Algunas de las formas comerciales del zinc sin alear son: chapa, tubo y alambre, que encuentran aplicaciones en bajadas de agua, canalones, depósitos diversos, electrodomésticos, etc.
Estaño
Metal mucho menos denso que el plomo, pero más que el zinc, es dúctil y brillante, de color blanco plata. Su estructura es cristalina, cuando se dobla en varillas se oye un crujido especial, llamado grito de estaño.
Tiene un peso específico de 7.29 Kg. / dm3, siendo su temperatura de fusión 223° C. A temperaturas inferiores a los 18 °, el estaño se vuelve pulvurulento, y constituye la variedad alotrópica denominada estaño gris de peso específico 5.8 Kg / dm3, comienza la transformación por uno o varios puntos y se propaga poco a poco a toda la pieza, lo cual se conoce como lepra, peste o enfermedad del estaño.
El estaño es muy maleable, pudiendo ser laminado en hojas de papel de estaño de algunas milésimas de milímetro de espesor. No se altera en frío al aire seco o húmedo, es atacado por los ácidos y por las bases, por lo que hay que evitar el traslado de estos productos en recipientes estañados de hojalata.
Aplicaciones
El estaño se puede emplear puro en forma de papel para la envoltura y conservación de productos alimenticios, también se emplea en la industria eléctrica para hacer láminas de condensadores. Asimismo se utiliza para proteger contra el óxido la chapa de hierro (hojalata) con que se construyen recipientes y latería para envase de productos.
Otro aspecto de las aplicaciones del estaño es su aleación con otros metales, principalmente con cobre (en bronces), con plomo para obtener aleaciones de soldadura blanda y con antimonio y cobre o antimonio y plomo para formar materiales antifricción utilizados en cojinetes.
Plomo
Metal gris azulado, pesado, dúctil, maleable, blando, muy fusible, en contacto con el aire se toma y empaña con facilidad, los compuestos son muy venenosos.
Tiene un peso específico de 11.35 Kg. / dm3 funde a 327.4 ° C y su resistencia a tracción oscila entre 1.5 a 2 Kg. / mm2. Recién cortado presenta un brillo metálico y su estructura es fibrosa. A pesar de que resiste bien el HCl y el H2SO4, el HNO3, los halógenos y el vapor de azufre lo atacan.
Aplicaciones
El estaño puro se utiliza en planchas, empleadas en cubiertas; en recipientes resistentes a ciertos reactivos ácidos; como elemento impermeable a la radiación; en placas de baterías y acumuladores; como tubos para conducción de agua; en forma de alambres, fusibles, perdigones, postas, etc.
Como elemento de aleación participa en la fabricación de aceros al plomo, soldaduras blandas, metales antifricción además de bronces y latones especiales. También encuentra aplicaciones en forma de óxidos, para la obtención de pinturas de protección anticorrosiva.
Magnesio
Metal de color y brillo semejantes a los de la plata, es maleable, poco tenaz y ligero como el aluminio.
Tiene un peso específico de 1.74 Kg / dm3 y su punto de fusión es de 650 ° C. En estado líquido o en polvo es muy inflamable. Es inalterable en aire seco, pero es poco resistente a la corrosión en atmósferas húmedas.
Aplicaciones
Suele utilizarse en la industria mecánica en forma de aleaciones existiendo aleaciones de magnesio para forja, compuestas por magnesio y un 1 o 2 % de manganeso (Magmanz) o compuesta por 8 o 9 % de aluminio de un 1 % de zinc y un 0.2 % de manganeso y el resto de magnesio (magal), esta última tiene mayor resistencia a la tracción que la primera, pero tiene el inconveniente de no ser soldable.
Las aleaciones de magnesio debido a su ligereza ( nunca sobrepasan 1.8 Kg./dm3) son muy utilizadas en la industria aeronáutica.
En nuestro próximo capítulo trataremos brevemente lo concerniente a los diagramas de fase
Oscar Emiro Arenas Subero