TECNOLOGIA INDUSTRIAL

METALLS NO FÈRRICS Y MATERIALS NO METÀL.LICS

ÍNDEX

Metalls no fèrrics 1-7

Metalls d'aplicació industrial 1-5

El Magnesi i els seus aliatges ultralleugers 1

El Titán 1

El Plom 2

L'Estany 3

El Zinc 3

El Níquel 4

Altres metalls no fèrrics 5

Polverimetal.lúrgia 5-6

Fabricació de polvorees 5

Compressió de polvores 6

Sinterització 6

Materials no metal.lics 7-12

Les fustes 7-8

Fusta natural 7

Fusta artificial 8

Ceràmiques 9

Propietats de les ceràmiques 9

Classificació 9

Fibres tèxtils 10-11

Classificació 10

Propietats 11

Materials compostos 12

Bibliografía 13

METALLS NO FÈRRICS

Metalls d'apliació industrial

El magnesi i els aliatges ultralleugers

El magnesi és un metall lluent con la plata que té com a principal propietat la seva baixa densitat (1,74 g/cm3), menor fins i tot que la de l'alumini. La temperatura de fusió és baixa (650ºC), resisteix molt bé la corrosió a l'aire sec però molt poc a l'aigua o a la humitat i té molt poca plasticitat a temperatura ambient.

El magnesi és present a l'aigua del mar (MgCl2, clorur de magnesi) en una proporció de l'11% del pes total de les seves sals.

En els aliatges de magnesi utilitzats industrialment s'obtenen afegint alumini, zinc i manganès principalment. L'alumini proporciona una millora de les propietats mecàniques i facilita l'emmotllament, el zinc aporta plasticitat i el manganès augmenta la resistencia a la corrosió. Per tal de millorar les propietats mecàniques dels aliatges del magnesi, els són aplicats tractaments tèrmics com el tremp i la recuita, per millorar-ne la resistencia a la corrosió, s'apliquen tractaments superficials per tal de dotar-los d'una capa d'òxid estable que els protegeixi.

Propietats del magnesi pur			Propietats mecàniques d'alguns aliatges ultralleugers
Magnitud	Valor	Unitats	Composició	R (N/mm2)	 (%)	HB
Densitat	1,74	g/cm3	>99% Mg	165	6	30
Punt de fusió	650	ºC	91,3% Mg+Al+Zn+Mn	294	2	75
Resis. Electr.	0,0445	. mm2/m	94,8% Mg+4,5%Zn+Zr	235	5	65
Cond. Tèrm.	157,17	W/mºC	98% Mg + 2% Mn	196	2	45
Modul elastic	45.000	N/mm2
Limit elastic	41	N/mm2
Resist. Trencam.	165	N/mm2
Allargament	6	%
Duresa	30	HB

El titani

El titani és un metall relativament lleuger, amb un valor de densitat a mig camí entre l'alumini i l'hacer però que, en canvi, és molt més resistent als esforços mecànics que els altres metalls més lleugers: l'alumini i el magnesi. També és molt resistent a la corrosió en molts ambients, especialment al clor. L'inconvenient d'aquest metall és el seu elevat preu.

El titani forma aliatges amb l'alumini, l'estany, el crom i el vanadi. Les aplicacions del titán es troben bàsicament a les indústries aeronáutica, aeroespacial, naval, petroliera i química en general.

Propietats del titani
Magnitud	Valor	Unitats
Densitat	4,51	g/cm3
Punt de fusió	1670	ºC
Resistivitat elèctrica	0,02	. mm2/m
Conductivitat tèrmica	17	W/mºC
Mòdul elàstic	107.000	N/mm2
Límit elàstic	240	N/mm2
Resistencia al trencament	330	N/mm2
Allargament	30	%
Duresa	265	HB

El plom

El principal mineral d'on sobté és la galena, formada per sulfur de plom (PbS).

El plom és un metall molt dens, amb una baixa resistencia a la tracció, tou, mal.leable i que no presenta acritud. Té un punt de fusió baix, és resistent a la corrosió per aire, per aigua (excepte la destil.lada) i per àcids (excepte nítric). A causa de les seves propietats mecàniques pobres, el plomno té aplicacions estructurals. Aprofitant la seva resistencia a la corrosió, és emprat com a revestiment interior de dipòsits destinats a contenir àcids a la industria química.

El plom forma aliatge amb l'antimoni (Sb), que li confereix duresa, i s'aplica en l'elaboració de plaques d'acumuladors eléctrics. Amb l'estany forma aliatges útils en soldadura perquè té un punt de fusió baix. Amb antimoni i estany s'utilitza per a l'obtenció de tipus (lletres) d'impremta. També s'empren aliatges de plom i coure com a revestiment antifricció dels coixinets.

El principal inconvenient del plom i dels seus compostos és la seva elevada toxicitat.

Propietats del plom
Magnitud	Valor	Unitats
Densitat	11,36	g/cm3
Punt de fusió	327	ºC
Resistivitat elèctrica	0,205	. mm2/m
Conductivitat tèrmica	34,95	W/mºC
Mòdul elàstic	14.700	N/mm2
Límit elàstic	3,5	N/mm2
Resistencia al trencament	19,6	N/mm2
Allargament	50	%
Duresa	6,9	HB

L'estany

La casiterita és el mineral d'on sobté l'estany. El procés d'obtenció consisteix en la reducció del mineral amb carboni dins un forn. L'estany és tou, dúctil I molt mal.leable, però poc resistent a la tracció. És resistent a la corrosió de l'aire a temperatura ambient i també a molts productes químics. La principal aplicació de l'estany és el revestiment de fines làmines d'hacer, formant el que es coneix com a llauna.

L'estany és emprat com a element d'aliatge amb el coureper a la formació dels bronzes; amb el plom, per a l'obtenció de material de soldadura; amb el plom i el bismut, per a la fabricació de fusibles elèctrics, i amb l'antimoni i el coure, per a l'obtenció de materials antifricció per a coixinets.

Propietats de l'estany
Magnitud	Valor	Unitats
Densitat	7,3	g/cm3
Punt de fusió	232	ºC
Resistivitat elèctrica	0,13	. mm2/m
Conductivitat tèrmica	63,87	W/mºC
Mòdul elàstic	53.900	N/mm2
Límit elàstic	2,55	N/mm2
Resistencia al trencament	34,3	N/mm2
Allargament	40	%
Duresa	12	HB

El zinc

El zinc s'obté de la blenda, que és un mineral ric en sulfur de zinc (ZnS). Aquest metall resisteix la corrosió en aigua i en aire. Les seves principals aplicacions són les làmines per a revestiments de recipients i dipòsits i la galvanització d'objectes d'hacer, com ara xapes, cargols, tubs, etc. Aquesta galvanització consisteix en el revestiment de l'acer amb una fina capa de zinc per immersió de les peces en zinc fos.

Algunes petites peces utilitzaces en la industria automobilística (manetes, panys, carburadors, etc.) són elaborades a partir d'aliatges de zinc amb alumini, magnesi i coure. Aquests aliatges s'anomenen ZAMAK.

Propietats del zinc			Propietats mecàniques d'alguns aliatges ZAMAK
Magnitud	Valor	Unitats	Composició	R (N/mm2)	 (%)	HB
Densitat	7,13	g/cm3	>99%Zn	117	32	36
Punt de fusió	419,5	ºC	95,9%Zn+Al+Mg	281	10	82
Resis. Electr.	0,057	. mm2/m	94,9%Zn+Al+Cu+Mg	326	7	91
Cond. Tèrm.	112	W/mºC	93%Zn+4%Al+3%Cu	322	8	100
Modul elastic	103.500	N/mm2
Limit elastic	-?-	N/mm2
Resist. Trencam.	117	N/mm2
Allargament	32	%
Duresa	36	HB

El níquel

És un metall de color blanc molt lluent que no és alterat ni per l'aire ni l'aigua ni el mar ni molts compostos químics. És mot mal.leable, magnètic i resistent a la tracció i al desgast. S'utilitza per a la fabricació d'instrumental quirúrgic i de laboratori. El niquelat és un altra aplicació important i consisteix en el revestiment per mitjans electrolítics de peces metal.liques amb una fina capa de níquel que ofereix protecció contra la corrosió i un acabat lluent molt atractiu.

El níquel forma aliatges com ara:

• Permalloy (78%Ni+22%Fe), amb una aplicació en la construcció de nuclis magnètics de motors i transformadors per la seva elevada permeabilitat magnética.

• Nikrotal (75%Ni+17%Cr+Si+Mn), amb aplicació en la fabricació de resistències elèctriques de precisió, ja que tenen un coeficient de variació de la resistivitat amb la temperatura molt baix.

• Invar. (33%Ni+66%Fe+1%Cr), amb una conductivitat térmica i coeficient de dilatació molt baixos.

Propietats del níquel
Magnitud	Valor	Unitats
Densitat	8,9	g/cm3
Punt de fusió	1.455	ºC
Resistivitat elèctrica	0,11	. mm2/m
Conductivitat tèrmica	80	W/mºC
Mòdul elàstic	207.000	N/mm2
Límit elàstic	138	N/mm2
Resistencia al trencament	483	N/mm2
Allargament	40	%
Duresa	85	HB

Altres metalls i aliatges metàl.lics

La indústria utilitza molts altres metalls com ara: l'urani, el crom, el platí, el mercuri, la plata, l'or, etc…. L'urani i el plutoni s'utilitzen, aprofitant la seva radiactivitat, com a combustibles a les centrals nuclears productores d'energía eléctrica. Amb el cobalt es realitzen aliatges amb propietats magnètiques per a aplicacions electrotècniques.

L'elevada resistencia a la corrosió del crom és utilitzada per a revestiments protectors d'altres metalls i per a l'obtenció de l'hacer inoxidable. El platí s'utilitza com a catalitzador a la industria petroquímica i per reduir la contaminació dels gasos d'escapament dels motors de benzina.

Polverimetal.lúrgia

La polverimetal.lúrgia consisteix en la conformació de peces a partir dels materials components en forma de fines pólvores, i consta de tres fases: fabricació de les pólvores, compressió i sinterització.

Fabricació de les pólvores

La materia primera que utilitza la polverimetal.lúrgia són los polvores de metalls purs, d'aliatges metal.lics o d'altres compostos, com ara els carburs metal.lics i les ceràmiques. Per a la fabricació de les pólvores metal.liques existiesen molts procediments diferents:

• Atomització: Consisteix a aplicar un corrent de gas a pressió damunt d'un raig de metall fos, la qual cosa provoca la descomposició del raig de metal en partícules molt fines que donen lloc a les pólvores.

• Reducció d'òxids: Consisteix en l'obtenció de partícules molt fines d'òxid del metall desitjat que són més fràgils i fàcils d'esmicolar que el metall pur, i sometre-li a un corrent de gas reductor a uns 1000ºC que, en combinar-se amb l'oxigen dels òxids, redueix el metall.

Exemple:

MoO3 + 3H2 Mo + 3H2O

Compressió de les pólvores metàl.liques

Les pólvores són introduïdes en un motlle amb forma de la peça que volem obtenir i, amb premses hidràuliques, els és aplicada una pressió elevada (en alguns casos pot arribar als 100.000 N/mm2). Aquesta compressió fa que entrin en contacte les superficies de les partícules del material i que es produeixin unions entre els àtoms superficials (difusió), en un procés similar a una soldadura en fred.

Sinterització

Per tal d'augmentar la cohesió i la tenacitat de les peces comprimides i aconseguir així que es comportin com una massa compacta, s'introdueixen en un forn i són sotmeses a temperatures elevades. Aquest procés afavoreix la unió dels àtoms iniciada a la fase anterior. Les temperatures de sinterització son inferiors a la de la fusió dels productes utilitzats i s'apliquen durant un temps de 15 minuts i 2 hores.

MATERIALS NO METÀL.LICS

Les fustes

La fusta és un material natural amb una estructura complexa i no homogènia que bàsicament està formada per molècules de cel.lulosa reforçades per una substància polimèrica anomenada lignina. Avui dia disposem d'una gran varietat de productes que tenen com a base la fusta:

Fusta

Natural

Dura

Roure, Noguera, Tec...

Tova

Pi, Cedre, Xiprer...

Artificial

Contraplacada

Aglomerada

De partícules

De fibres

Sense resina (Tablex)

Amb resina (DM)

Enllistonada

Fusta natural

S'obté dels arbres a partir d'un procés de tala i desbrancatge abans de passar a la serradora. A la industria de la fusta, els arbres es classifiquen en arbres de fusta tova i arbres de fusta dura. Els de fusta tova són arbres de fulla perenne com ara el pi i l'avet, en canvi els de fusta dura son de fulla caduca com el roure i el faig..

La fusta acabada de tallar es troba en estat de fusta verda, amb un contingut d'humitat molt elevat que fa que no sigui aprofitable. El contingut d'humitat de les fustes s'expressa en tants per cent, segons la següent expressió:

Humitat=[(Pes de la fusta humida - pes de la fusta seca) / pes de la fusta seca] x 100

L'assecatge es fa a l'aire lliure durant un any o bé en forns d'aire calent durant sis o set setmanes. Un cop superada la fase d'assecatge, les fustes passen per un procés de reasserratge i ribotejat per tal de donar-li les dimensions i l'aspecte definitius abans de ser comercialitzades.

Fusta artificial

Els productes elaborats a partir de la fusta acostumen a presentar-se en forma de taulers de diferents tipus: taulers de xapes, taulers de partícules, taulers de filons, taulers de llistons i xapes naturals i sintétiques.

Taulers de xapes (contraplacats)

S'aconsegueixen encolant xapes de fusta natural de forma que les direccions de les vetes de les xapes contigües formin un angle de 90º.

Taulers de partícules (aglomerats)

Formats a partir d'encenalls o partícules amb una grandària controlada encolades amb resines sintètiques a base de formaldehid i premsades per tal d'aconseguir la polimerització.

Taulers de fibres (Tablex i DM)

El Tablex està format a partir de fibres de fusta (molt més petites que les partícules dels aglomerats), que són premsades humides i sense encolar. El DM està format també a partir de fibres de fusta però premsades en sec i encolades amb resina sitètica formant làmines que després es tornen a premsar en calent.

Taulers de llistons (enllistonats)

Formats a partir de llistons de fusta tova encolats lateralment amb resines sintètiques i revestits per les dues cares amb dues o quatre xapes de fusta dura amb la veta entrecreuada, com es fa amb el contraplacat.

Xapes naturals

S'obtenen amb talls tangencials del tronc utilitzant esmolades fulles de tall d'hacer especial i amb un gruix entre 0,3 i 0,6 mm. Quan han de ser utilitzades en l'elaboració de contraplacats s'obtenen amb un tall perifèric i amb un gruix entre 1,6 i 3,2 mm.

Xapes sintètiques

S'obtenen a partir de resines sintètiques, generalment de melamina-formaldehid o bé de fenol-formaldehid. Aquestes resines termoestables poden tenir acabats de fantasia o imitar la fusta natural, amb la combinació de diferents textures i colors.

Les ceràmiques

Les ceràmiques son materials formats per combinacions d'elements metàl.lics i no metàl.lics units per enllaços iònics.

Propietats de les ceràmiques

Les propietats més comunes de les ceràmiques son les següents: fràgils, dures, poc resistents a la tracció, molt resistents a la compressió, baixa conductivitat térmica, elevada temperatura de fusió i molt baixa conductivitat eléctrica.

Una de les propietats més importants dels materials ceràmics són les relacionades amb l'aïllament elèctric. En electrónica s'utilitzen els CONDENSADORS.. El paràmetre més important de un condensador es la seva capacitat:

C =  (A/L)

C és la capacitat del condensador

 és la constant dielèctrica del material aïllant sense unitats

A és la superficie de les plaques enfrontades

L és la distancia de separació entre plaques.

Classificació de les ceràmiques

Podem classificar els materials ceràmics, segons les seves aplicacions, en argiles, ciments, refractaris, vidres i abrasius.

Argiles

Es troben fàcilment a la natura i en afegir-hi aigua es transformen en una massa plástica a la qual es pot donar molt fàcilment la forma desitjada. Aquesta massa adquireix les propietats d'una cerámica després dels canvis químics produïts a les fases d'assecatge i de cocció. Dins de les argiles podem distinguir entre les estructurals i les porcellanes.

Ciments

Podem incloure els següents materials: el ciment Pórtland, el guix i la calç. En ser barrejats amb aigua, donen lloc a una massa plástica, com en el cas de l'argila, que és molt fácil de conformar. L'enduriment dels ciments s'aconsegueix mitjançant complexes reaccions químiques.

Refractaris

Aquestes ceràmiques soporten altes temperatures sense fondres, no reaccionen químicament amb els elements amb què entren en contacte i produeixen un gran aïllament tèrmic.

Els refractaris poden ser a partir d'aluminia, de sílice o de magnesia.

Vidres

Els vidres són materials ceràmics formats per la fusió de sílice amb altres òxids i que tenen una estructura de sòlid amorf. A temperatura ambient, els vidres poden ser considerats líquids de gran viscositat, amb una gran transparencia, fragilitat i duresa com a principals propietats.

Tipus de vidre	Tant per cent de composició en pes						Característiques i aplicacions
	SiO2	Na2O	CaO	Al2O3	B2O3	Altres
Sílice fosa	99,5						Resistent al xoc térmic
Vycor	96				4		Resist xoc tèrmic i atac qu
Pirex	81	3,5			13		Resist xoc tèrmic i atac qu
Envasos	74	16	5	1		4MgO	Facilitat de conformació.
Fibra de vidre	55		16	15	10	4MgO	Facilitat per trefilar
Òptic (Flint)	54	1				37PbO+8K2O	Alta densitat i ind. Refracc
Vitroceràmica	70					4,5TiO2+2,5Li2O	Resist. Mecánica i xoc tèr

Abrasius

S'anomenen ceràmiques abrasives a les que s'utilitzen per polir, esmolar I tallar acers, ja que necesiten ser més durs, resistents al desgast, tenaços i refractaris.

El material més dur és el diamant, però és car i frágil per a moltes aplicacions. Les ceràmiques abrasives més usuals es formen a partir de carbur de silici, alúmina fosa o corindó, carbur de tungstè i òxid de zirconi. Són utilitzats en forma de pólvores, ja sigui soltes, fixades en làmines o fulls flexibles aglomerades amb resines orgàniques en forma de rodes, sinteritzades en forma d'eines de tall.

Les fibres tèxtils

La principal aplicació de les fibres tèxtils és la filatura i el posterior tissatge per a la confecció de roba. Però hi ha altres tipus de fibres que tenen altres aplicacions industrials com a aïllants, filtres, per a cordes i com a component dels materials compostos.

Classificació de les fibres tèxtils

Les fibres, segons el seu origen, es poden classificar en:

Fibres

Vegetals

Del fruti

De la tija

De la fulla

Naturals

Animals

d'ovelles

de cabres

de conills

altres

Minerals Amiant

Artificials Raió

Raió-cuproamoniacal

Raió-viscosa

Raió-acetat

Sintètiques

Poliamides

Polièsters

Poliacrilonitrils

Poliuretans

Les fibres vegetals tenen com a component bàsic la cel.lulosa i les més importants són el cotó i el lli. Les fibres animals s'obtenen del pel de diferents animals. L'única fibra mineral natural es l'amiant, que destaca per la seva incombustibilitat.

Les fibres artificials s'obtenen per la transformació de productes naturals a partir de cel.lulosa principalment. Les fibres sintètiques no necesiten cap producte natural per a la seva elaboració, sinó que s'obtenen directament a partir dels seus components elementals. Aquest tipus de fibres son polímers.

Propietats i aplicacions

• La resistencia a la tracció

• L'elasticitat

• Uniformitat

• Higroscopicitat

• Aïllament tèrmic

• Suavitat al tacte

• Resistencia als productes químics.

Els materials compostos

Per tal de satisfer les necessitats que ens en presentin han estat desenvolupats els anomenats compòsits o materials compostos.

Els materials compostos estan formats per dos o més materials de composició, forma i grandària diferent. Alguns dels materials compostos més utilitzats son el formigó, les resines polimèriques reforçades amb fibres i els contraplacats i emparedats.

Formigó

El formigó és un material compost que és format per ciment Pórtland, sorra i grava. Presenta una alta resistencia a la compressió.

Resines reforçades amb fibres

Aquests grups de materials són formats per fibres que aporten resistencia a la tracció i rigidesa situades a l'interior d'una massa de resina polímerica que aporta tenacitat. La gran importancia d'aquests materials compostos es posa de manifest quan es comparen els seus valor de resistencia en funció de les seves densitats. Aquesta relació s'anomena RESISTENCIA ESPECÍFICA.

Contraplacats i emparedats

Els contraplacats i emparedats són dues tècniques d'elaboració de materials compostos que tenen com a objectiu comú l'obtenció de materials lleugers, rígids i resistents.

BIBLIOGRAFÍA

Tecnología Industrial I

McGrawHill 1998 1ª edició.