miércoles, 3 de febrero de 2016

Materiales no Férreos. Aleaciones.

Introducción.

En la industria, son varios los materiales metálicos y sus aleaciones que no proceden del hierro y que tienen cierta relevancia, aunque solo se citarán los más importantes. Por otro lado hay que tener en cuenta, que la producción mundial de materiales férreos es muy superior a la producción de los demás metales.

Los metales no férreos se pueden clasificar en 3 grandes grupos: 
  • Metales y aleaciones pesadas: cobre, estaño, plomo, cinc, cobalto, wolframio y cromo, cuyas densidades son mayores a 5 g/cm3.
  • Metales y aleaciones ligeras: aluminio y titanio, con densidades comprendidas entre 2 y 5 g/cm3. 
  • Metales y aleaciones ultraligeras: magnesio y berilio, con densidades inferiores a los 2 g/cm3.
Esquema de Clasificación de Metales y aleaciones no férreas.
Cobre.

El cobre es un metal no ferroso, siendo su símbolo (Cu). Se puede obtener de los minerales:
Tabla Minerales obtención de cobre.
Estos minerales sometidos a una serie de procesos industriales dan como resultado hasta un 98% de pureza en cobre. 

El cobre es un material muy dúctil, maleable, con un alargamiento del 50% antes de romperse, es el mejor conductor eléctrico después de la plata y posee una alta resistencia a la corrosión, tanto de agentes atmosféricos como a los líquidos industriales.

Se emplea en la construcción de calderas, intercambiadores de calor, instalaciones de agua caliente, conductores eléctricos, etc.

Sus características más importantes son:
  • Densidad: 8,92 Kg/dm3.
  • Punto de fusión: 1.083 ºC.
  • Conductividad eléctrica: 56 mm/mm2 * ohmio.
Como propiedades químicas del cobre, se pueden destacar, que no es atacado por el agua pura a ninguna temperatura, además de cubrirse con una película en su proceso de oxidación, que lo protege de forma que reduce su oxidación a la cantidad de 0,5-1 milésima de milímetro por año. Por otro lado es un metal que alea fácilmente con el oro, plata, estaño, cinc y níquel, pero difícilmente con el plomo y el hierro. 

En la actualidad en la industria el cobre, éste es más utilizado en la formación de aleaciones, que como cobre, conociéndose éstas aleaciones como aleaciones pesadas, como son el bronce y latón.

Bronce.

El bronce es una aleación de cobre, estaño y otros metales en menor proporción. Se puede definir como aleaciones con un mínimo del 60 % de cobre y otros componentes sin que predomine entre ellos el cinc.

Los bronces se pueden clasificar en 2 grandes grupos:

Bronces ordinarios: son aquellos que contienen entre un 5 y un 30% de estaño, con propiedades como la fragilidad, fusibilidad y sonoras, propiedades que aumentan al ser mayor el contenido de estaño. Son aptos para la fabricación de cojinetes, grifos, válvulas, adornos en general, campanas, etc.

Los bronces de estaño tienen un peso especifico que varia entre 7,2 y 8,9 Kg/dm3, según el porcentaje de estaño que tenga con respecto al cobre, aumenta la resistencia a la corrosión en mayor o menor grado.

Entre los bronces ordinarios se encuentran:
  • Bronces: es la aleación básica del bronce, contiene aproximadamente el 88% de cobre y el 12 % de estaño. 
  • Bronce alfa: es la mezcla solida de estaño en cobre. Esta aleación, se utiliza para acuñar monedas y para fabricar resortes, turbinas y herramientas de corte. 
Bronces especiales: son aquellos que contienen proporciones importantes de otros elementos y son denominados en función del componente aleado que se agrega.
  • Bronce al plomo: tienen buenas propiedades de deslizamiento con resistencia al desgaste. Ideal para cojinetes con elevadas presiones de superficie, con altas presiones en cojinetes y fundición de piezas resistentes a la corrosión.
  • Bronces al silicio: es una aleación que incluye un 1-3% de silicio y aproximadamente un 1% de hierro, níquel, magnesio o estaño. El bronce al silicio es conocido por su resistencia a la corrosión y por su gran resistencia a la tracción. Se puede emplear en conductores eléctricos de telefonía, bombas, depósitos de agua caliente, depósitos de productos químicos y en herramientas para la industria naval.
  • Bronces al fósforo: es una aleación de cobre con 3,5-10% de estaño y un significativo contenido de fósforo hasta del 1%. El fósforo es agregado como agente de desoxidación durante la fundición. Son bronces con buenas propiedades mecánicas, antifricción y anticorrosión. Ideal para bujes y cojinetes que necesitan resistir cargas y velocidad elevadas.
  • Bronces al aluminio: contienen aluminio en lugar de estaño, en general 95% de cobre y 5% de aluminio. Tienen gran resistencia a la tracción y a la corrosión del agua marina. Se laminan en caliente, al rojo. Son aleaciones adecuadas para la construcción naval de hélices, válvulas y cojinetes. 
  • Bronces al níquel: generalmente su composición media es 80% de cobre, 10% de estaño y 10 % de níquel. Resistente a la corrosión del agua marina y al vapor, si el níquel supera el 54 % la aleación es muy resistente al desgaste. Se emplea para asientos de válvulas en máquinas de vapor y para piezas de bombas para agua marina.
  • Bronces al magnesio: aleación con buena resistencia en caliente y gran estabilidad a la corrosión del vapor, agua de mar y álcalis. Empleado en tuberías.
  • Bronces al berilio: el berilio se encuentra en una proporción entorno al 2%, presenta una gran resistencia a la tracción y a la fatiga. Los bronces al berilio resisten bien a la corrosión y son buenos conductores de la electricidad.
Latón.

El latón es una aleación de cobre y cinc. Las proporciones de cobre y cinc pueden variar para crear una variedad de latones con propiedades diversas. En los latones industriales el porcentaje de cinc se mantienen siempre inferior al 50%. Su composición influye en las características mecánicas, la fusibilidad, y la capacidad de conformación por fundición, forja, troquelado y mecanizado. En frío, los lingotes obtenidos pueden transformarse en láminas de diferentes espesores, varillas o cortarse en tiras susceptibles de estirarse para fabricar alambres.

Los latones pueden clasificarse en 2 grandes grupos:

Latones ordinarios: son aquellos que contienen entre 5-45% de cinc. Los latones de aplicación industrial mantienen un porcentaje de cinc siempre inferior al 50%, presentan las mismas propiedades esenciales del cobre pero con la ventaja del menor precio y mayor facilidad al trabajarlo, puesto que el cinc aumenta su fusibilidad, moldeabilidad y su resistencia mecánica.
  • Latones para fundir (beta): el latón beta tiene un 45-50% de cinc. Se trabaja en caliente y es bueno para la fundición. Es más duro y fuerte que el latón doble (alfa+beta). No es utilizado muy a menudo.
  • Latones para forja (alfa): el latón alfa o también denominado metal príncipe, es aquel que tiene menos del 35% de contenido en cinc. Se puede trabajar en frío porque es dúctil a temperatura ambiente y se puede laminar, forjar y presionar. Este a su vez se puede dividir en:
    • Latones rojos: según el porcentaje de cinc, tienen distintas propiedades y denominaciones.
      • Metal para dorar: contiene un 5% de cinc, es utilizado en joyería para imitar al oro. 
      • Bronce comercial: contiene un 10 % de cinc, se utiliza en joyería para imitar al bronce.
      • Latón semirrojo: contiene un 15% de cinc, también se conoce como semi-Tombak, se utiliza para radiadores de automóviles.
      • Latón bajo: contiene un 20% de cinc. También se conoce como Tombak, se utiliza para tubos flexibles.
    • Latones amarillos: contienen entre un 25 % al 35% de cinc y los más importantes son:
      • Latones de muelles: contienen un 25% de cinc, es el más utilizado para fabricar muelles y resortes. 
      • Latones de cartuchería: contienen un 30% de cinc, muy dúctil, se emplean para embutición y estampado.
      • Latón alto: contiene un 35% de cinc, tiene una alta resistencia a la tracción y se utiliza para muelles, tornillos y remaches.
  • Latones para forja (alfa+beta): contienen entre un 36% al 42% de cinc, se conoce como metal Muntz. Son menos dúctiles que los latones rojos y amarillos y no se laminan en frío.  
Latones especiales: son aquellos que contiene en proporción más o menos importantes de otros elementos, recibiendo el nombre en función de dicho elementos. Son aleaciones de cobre, cinc y otros elementos que le proporcionan resistencia mecánica, mayor resistencia, mejor resistencia a la corrosión, etc.
  • Latones al aluminio: el aluminio aumenta más que ningún otro elemento la resistencia mecánica a la corrosión de los latones, además favorece la colabilidad. 
  • Latones al hierro: contiene hasta un 1% de Fe, aporta mayor dureza al latón, de manera muy notable. Aunque en menor medida que otros elementos, también aumenta su resistencia a la tracción.
  • Latones al plomo: contiene hasta un 2% de plomo, aporta reducción a la resistencia mecánica de los latones y mejora su maquinabilidad. También se denominan latones de tornillería.
  • Latones al manganeso: contiene hasta un 5% de manganeso, aumenta la resistencia a la tracción y disminuye la ductilidad.
  • Latones al estaño: contiene hasta un 10% de estaño, aumenta la resistencia a la corrosión.
  • Latones al silicio: contiene hasta un 1,5% de silicio. El silicio es el elemento que más influye sobre los latones. La aleación de Cobre-Cinc-Silicio más conocida es el Bronsil, es una aleación de fácil fusión, de alta resistencia a la tracción y muy resistente a la corrosión. Se utilizan para fabricar campanas, válvulas, cojinetes, bombas, engranajes, etc.
  • Latones complejos: son los formados por Cobre-Cinc y la combinación de otros elementos, presentan gran resistencia a la corrosión y se emplean en hélices y maquinaria marina.
Clasificación de los latones.

Aluminio.

El aluminio es un elemento químico, de símbolo "Al" y numero atómico 13. Es un metal no ferromagnético. Es el tercer elemento más común encontrado en la corteza terrestre. En estado natural se encuentra en muchos silicatos (feldespatos, plagioclasas y mica). Como metal se extrae únicamente del mineral conocido como la bauxita.

Este material tiene una combinación de propiedades que lo hacen muy útil en la industria dado su baja densidad y su alta resistencia a la corrosión. Formando aleaciones puede aumentar su resistencia mecánica. Es un buen conductor de la electricidad y del calor, se mecaniza con facilidad y es muy barato.

Como características físicas más importantes, es un metal ligero de baja densidad (2700 Kg/m3), y con un punto de fusión bajo (660 ºC). Su color es blanco, reflejando bien la radiación electromagnética del espectro visible y térmico. Es un buen conductor eléctrico (35 m/mm2*ohmio) y térmico.

En cuanto a sus características mecánicas es un metal blando, dúctil y maleable. Presenta poca resistencia a la tracción, lo cual es apropiado para la fabricación de cables eléctricos y láminas delgadas, pero no como elemento estructural. Para mejorar estas propiedades se alea con otros metales, lo que mejora las operaciones de fundición y forja, así como la estrucción del material. También formando aleaciones se utiliza como elemento de soldadura.

Sus propiedades químicas mas destacadas es su gran afinidad con el oxigeno, por lo que se emplea, entre otras cosas, para la desoxidación de los baños de acero, la soldadura aluminio-térmica, etc.  

Aleaciones de aluminio.      

El aluminio puro es un material blando y poco resistente a la tracción. Con objeto de mejorar estas propiedades mecánicas se alea con otros elementos principalmente magnesio, manganeso, cobre, cinc y silicio, en algunos casos, también se añade titanio o cromo.

En general el aluminio y sus aleaciones abarcan un amplio campo dentro de la industria y la fabricación mecánica, como son:
  • Fabricación de piezas para medios de transporte. (automóviles, camiones, ferrocarriles, aviación, etc.).
  • Construcción. (cubiertas, ventanas, puertas, fachadas, etc.).
  • Electrotecnia. (cables eléctricos, componentes electrónicos, etc.).
  • Industria alimentaria. (tubos, caja, envases, capsulas, etc.).
  • Industria química. 
  • Pirotecnia. 
  • Etc.
Titanio.

El titanio es un elemento químico, cuyo símbolo es "Ti", de numero atómico 22. Es un metal de transición de color gris plata. Tiene alta resistencia a la corrosión y gran resistencia mecánica, es un material muy costoso, lo que limita sus usos industriales.

Es un metal abundante en la naturaleza, se considera el cuarto metal estructural mas abundante de la corteza terrestre. No se encuentra en estado puro sino en forma de óxidos, en la escoria de ciertos minerales de hierro.

Su utilización se ha generalizado en la industria aeroespacial, en la industria química y en la medicina con la fabricación y aplicación en prótesis.

Como características físicas más importantes tenemos que, es un metal de transición, su densidad es 4507 Kg/m3, su punto de fusión es de 1675 ºC, su color es plateado grisáceo, tiene propiedades paramagnéticas, es decir, presenta ligera susceptibilidad a un campo magnético, puede formar aleaciones con otros elementos para mejorar sus propiedades mecánicas y es resistente a la corrosión.

En cuanto a sus características mecánicas, es un metal dúctil y maleable, muy resistente a la tracción, de gran tenacidad, permite la fabricación de piezas por fundición y moldeo, permite ser soldado y mantienen una alta memoria de su forma.  

En cuanto a sus características químicas tenemos que, se encuentra en forma de óxido, en la escoria de ciertos minerales, tiene gran resistencia a la corrosión, resistente al ácido sulfúrico diluido y al ácido clorhídrico diluido a temperatura ambiente y a otros ácidos orgánicos. También es resistente a las bases, incluso en caliente. A temperaturas elevadas puede reaccionar con el nitrógeno, oxigeno, hidrógeno, boro y otros metales.

Aleaciones de Titanio.          
Comercial y tecnicamente existen muchas aleaciones de titanio. Se pueden alear con el hierro, vanadio, aluminio, estaño, cromo, cinc, molibdeno, etc., siendo los más usuales.
  • Ti grado 2 (TiFe), conocido como titanio puro, es utilizado en aplicaciones donde se requiere resistencia a la corrosión, como tuberías, intercambiadores de calor, etc. 
  • Ti grado 5 (Ti6Al4V), 6% de aluminio y 4% de vanadio. Aleación de titanio utilizada en la industria aeronáutica, biomedicina y la estomatología (parte de la medicina que se ocupa de la anatomía, fisiología, prótesis, etc.)
  • Ti grado 19 (Ti3Al8V6Cr4Zr4Mo), utilizado en aplicaciones donde se requiere alta resistencia a la corrosión y a la temperatura (aplicaciones marinas y motores de aviones).
  • Ti6246 (Ti6Al2Sn4Zr6Mo), tiene aplicaciones donde se requiere alta resistencia mecánica obtenida por temple.
Magnesio.

El magnesio es el elemento químico que se encuentra en el grupo de metales alcalino-térreos en la tabla periódica, cuyo símbolo es el "Mg" y siendo su numero atómico 12. Es el séptimo elemento en abundancia constituyendo alrededor del 2% de la corteza terrestre. Una vez obtenido a partir de sales de magnesio, este metal es utilizado como elemento de aleación.

De los metales de importancia tecnológica, el magnesio es el de menor peso especifico 1.740 Kg/m3, y es por ello que sus aleaciones reciben el nombre de aleaciones ultra ligeras. Su punto de fusión es a 650 ºC y su conductividad eléctrica es (23 m/mm2*ohmio).

El magnesio al alearse con elementos como el aluminio, cinc y manganeso, mejora notablemente sus propiedades físicas. El magnesio y sus aleaciones se suelen emplear en la industria aeronáutica, del transporte, estructuras ligeras, pequeña mecánica, etc.

Níquel.

El níquel es un elemento químico que pertenece a los metales de transición, su símbolo es "Ni", siendo su numero atómico 28. Es de color blanco plateado con un ligero toque de dorado, conductor de la electricidad y del calor, muy dúctil y maleable por lo que se puede laminar, pulir y forjar fácilmente, presentando un ferromagnetismo a temperatura ambiente. Es otro metal altamente denso (8900 kg/m3) como el hierro, iridio y osmio.

Se encuentra en distintos minerales, se considera el segundo metal mas abundante por detrás del hierro, metal con el que comparte numerosas características similares. El níquel en estado puro o aleado, se utiliza para acuñar monedas, para tratamientos de niquelado, aleado con el cobre es resistente a la corrosión, utilizándose en la industria naval y química, aleado con el titanio, presenta efectos térmico de memoria, siendo usado en robótica. También es usado en la fabricación de instrumentos de cirugía, catalizadores de automóviles, etc.

Cinc.

El cinc o zinc es un elemento químico esencial de numero atómico 30 y símbolo "Zn", situado en el grupo 12 de la tabla periódica de los elementos. Metal de color banquiazul, muy frágil a temperatura ambiente, maleable entre los 120 a 150 ºC, se oxida con el aire húmedo formando una capa de oxido o carbonato que lo protege de una oxidación posterior, y por lo tanto de la corrosión, presenta una resistencia mecánica baja. Funde a los 420 ºC y tiene una densidad de 7140 Kg/m3.

La principal aplicación del cinc es el galvanizado del acero para protegerlo de la corrosión (cerca del 50% del consumo anual). También es usado en baterías, piezas en la industria de la automoción, metalurgia y confección de distintas aleaciones junto con otros elementos.

Plomo.

El plomo es un elemento químico de la tabla periódica, cuyo símbolo es "Pb" y su numero atómico es 82. Es un metal pesado, con un peso especifico de 11400 Kg/m3, es de color azulado . Funde a los 327 ºC. De gran utilidad en la industria gracias a su resistencia a los ácidos, amoniacos y otros productos químicos.

Es un metal muy blando que no admite tratamiento térmico, que puede estirarse, fundirse, laminarse y soldarse, aunque con una baja resistencia a la tracción. Se utiliza en cubiertas o armaduras para cables, debido a su ductilidad particularmente apropiada para esta aplicación. Es utilizado como pigmento sintético, pero esta aplicación va decreciendo en la actualidad. También es usado para ser aleado con otros elementos, para mejorar ciertas propiedades.

Aleaciones antifricción.

Son un grupo de aleaciones en las que el estaño y el plomo son sus principales componentes, otros son el cadmio, aluminio, cobre, antimonio, plata, níquel, arsénico, etc. Por su aspecto reciben también el nombre de metal blanco.

Su principal aplicación es la de recubrir los cojinetes que se instalan en los soporte de los ejes de los conjuntos mecánicos, para perder la menor energía posible. Son aleaciones blandas que permiten que se dañen antes el elemento antifricción que el propio conjunto mecánico, con buen plasticidad y resistencia al desgaste, con un pequeño coeficiente de rozamiento.

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