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Tema 1

Materiales metálicos

Índice

Los metales son materiales que se obtienen a partir de minerales que forman parte de las rocas.

Ejemplos:

Metal de hierro, se obtiene de minerales de hierro como la magnetita.

La extracción del mineral se realiza en:

• Minas a cielo cubierto si la capa de mineral se haya a poca profundidad

• Minas de excavación si la excavación se lleva a cabo bajo tierra.

Técnicas de separación:

• Tamizado: Consiste en la separación de las partículas sólidas según su tamaño mediante tamices o cribas.

• Filtración: Es la separación de partículas sólidas en suspensión en un líquido a través de un filtro.

• Flotación: Es la separación de una mezcla de partículas sólidas en un líquido: las menos densas flotas, mientras que las de mayor densidad se depositan en el fondo del recipiente.

La metalurgia es el conjunto de industrias que se encargan de la extracción y transformación de los minerales metálicos.

La siderurgia es la rama de la metalurgia que trabaja con los materiales ferrosos. Incluye:

-Proceso de Extracción del mineral de hierro.

Se clasifican en:

• Ferrosos: Son aquellos cuyo componente principal es el hierro. Hierro puro, acero y respectivas fundiciones.

• No Ferrosos: Materiales metálicos que no contienen hierro, o lo contienen en muy pequeñas cantidades. Cobre, bronce, latón y cinc.

2.1 Propiedades físicas

• Propiedades Mecánicas:

Son las relativas a la aplicación de fuerzas:

• Dureza y Resistencia mecánica. Los metales no se rayan, no pueden ser perforados y resisten bien los esfuerzos a los que son sometidos.

• Plasticidad y elasticidad. Algunos metales se deforman permanentemente cuando actúa una fuerza externa sobre ellos, otros, por el contrario, son capaces de recuperar su forma original tras la aplicación de una fuerza externa.

• Maleabilidad. Los metales pueden ser extendidos en láminas muy finas sin llegar a romperse.

• Tenacidad. Los metales presentan una gran resistencia a romperse cuando son golpeados.

• Ductilidad. Los metales pueden ser estirados en finos y largos hilos.

• Propiedades Térmicas.

Son las relativas a la aplicación de calor.

• Conductividad térmica. Todos los metales presentan una gran conductividad térmica, es decir, transmiten muy bien el calor.

• Fusibilidad. Los metales tienen la propiedad de fundirse, aunque cada metal lo hace a una temperatura diferente.

• Dilatación y Contracción. Los metales se dilatan cuando aumenta la temperatura, y se contraen si disminuye la temperatura.

• Propiedades Eléctricas y Magnéticas.

Los metales son buenos conductores de la electricidad porque ofrecen una baja resistencia eléctrica.

Algunos metales presentan un característico comportamiento magnético, que consiste en su capacidad de atraer a otros materiales metálicos.

2.2 Propiedades Químicas

• La propiedad química más importante de los metales es su elevada capacidad de oxidación.

Oxidación: Consiste en su facilidad para reaccionar con el oxígeno y cubrirse de un capa de óxido al poco tiempo de estar a la intemperie.

2.3 Propiedades Ecológicas

• La característica Ecológica de los metales es que la mayoría son reciclables.

2.4 Otras Propiedades

• Los metales son muy buenos conductores de ondas acuáticas, es decir, transmiten muy bien el sonido.

• Los metales son impermeables, esto es, impiden el paso del agua a su través.

Los minerales que contienen hierros más importantes son: Magnetita, Hematites, Limonita y Siderita.

· Aleación: Una aleación es una mezcla de dos o más elementos químicos, al menos uno de los cuales, el que se encuentre en mayor proporción, ha de ser un metal.

Los materiales ferrosos se agrupan en:

• Hierro Puro. La concentración de carbono se sitúa en entre el 0,008% y el 0,03%.

• Acero. La concentración de carbono oscila entre el 0,03% y el 1,76%.

• Fundición. La concentración de carbono se encuentra entre el 1,76% y el 6'67%.

3.1 El hierro y sus fundiciones

· El hierro:

• Ventajas: Tiene buenas propiedades mecánicas.

• Inconvenientes: Se corroe con facilidad, tiene un punto de fusión elevado y es de difícil mecanizado y resulta frágil y quebradizo.

Para mejorar sus propiedades mecánicas, el hierro puro se combina con carbono.

· La fundición presenta una elevada dureza y una gran resistencia al desgaste.

Se emplea para fabricar diversos elementos de maquinaria, carcasas de motores, bancadas de máquinas, engranajes, pistones, farolas, tapas de alcantarilla, etc.

3.2 El acero

El acero es una aleación del hierro con una pequeña cantidad de carbono. Se consigue una notable mejoría en las propiedades mecánicas.

Aceros aleados:

• Silicio. Elasticidad

• Magnesio. Dureza

• Cromo. Dureza, inoxidable

• Níquel. Inoxidable

• Wolframio. Resistencia

3.3 Proceso de Obtención del Acero

El proceso siderúrgico incluye:

• En primer lugar, con el fin de eliminar las impurezas, el mineral de hierro es lavado y sometido a procesos de trituración y cribado. Con ello, se logra separar la ganga de la mena.

• A continuación, se mezcla el mineral de hierro con carbón y caliza y se introduce en el interior de un alto horno a más de 1500ºC. De este modo, se obtiene el arrabio, que es mineral de hierro fundido con carbono y otras impurezas.

• El arrabio obtenido es sometido a procesos posteriores con objeto de reducir el porcentaje de carbono y eliminar impurezas.

Algunas propiedades del hierro hacen que resulte poco adecuado en algunas ocasiones. Por ello, se utilizan otros muchos materiales metálicos no procedentes del hierro., que tienen una gran variedad de aplicaciones. No obstante, su obtención es muy costosa.

Ejemplos:

• Cobre: Se obtiene a partir de los minerales cuprita, calcopirita y malaquita. Presenta una alta conductividad térmica y eléctrica, así como una notable maleabilidad y ductilidad. Resulta muy adecuado para la fabricación de cables eléctricos, hilos de telefonía... etc. Del cobre se obtienen distintas aleaciones, como el latón y el bronce.

• Latón: Aleación de cobre y cinc. Alta resistencia a la corrosión y soporta el agua y el vapor de agua mejor que el cobre. Se utiliza para la ornamentación decorativa, orfebrería... etc.

• Bronce: Es una aleación de cobre y estaño. Este metal presenta una elevada ductilidad y una buena resistencia al desgaste y a la corrosión. Su superficie lisa hace que resulte adecuado para fabricar engranajes, cojinetes y rodamientos.

• Plomo: Se obtiene de la galena. Es un metal de color gris plateado, muy blando, pesado y con una notable plasticidad, maleable y buen conductor del calor y la electricidad. Se emplea en la fabricación de baterías y acumuladores y en la industria del vidrio.

• Estaño: Se obtiene de la casiterita. Es un metal de color blanco brillante, muy blando, poco dúctil, maleable y no se oxida a temperatura ambiente. Con él se fabrica papel de estaño y hojalata. La aleación de estaño y plomo se utiliza como material de unión en soldaduras.

• Cinc: Se obtiene de la blenda y la calamina. Es un metal de color gris azulado, brillante, frágil, frío y de baja dureza. Se utiliza para cubiertas de edificios, cañerías y canalones.

• Aluminio: Se obtiene de la bauxita, un mineral muy escaso, motivo por el cual el aluminio no se ha conocido hasta fechas relativamente recientes. Es un metal blanco plateado, que presenta una alta resistencia a la corrosión. Es muy blando, de baja densidad y gran maleabilidad y ductilidad. Se utiliza como sustituto del cobre en líneas eléctricas de alta tensión.

• Titanio: Se extrae del rutilo y la ilmenita. Es de color blanco plateado, brillante, ligero muy duro y resistente. Se emplea en la industria aeroespacial y en la fabricación de prótesis médicas.

• Magnesio: Se extrae de diferentes minerales, como el olivino, el talco, el asbesto y la magnesita. Reacciona violentamente con el oxígeno, por lo que se emplea en pirotecnia.

Para obtener piezas de diferentes formas y productos industriales, se somete el material a una serie de procesos de conformación, que se eligen en función del metal y de la aplicación que se vaya a dar al mismo.

5.1 Metalurgia de polvos

Esta técnica consta de los siguientes pasos:

Esta técnica se emplea para fabricar piezas metálicas de gran precisión como cojinetes.

5.2 Moldeo

Consiste en introducir el metal en un recipiente que dispone de una cavidad interior. Dicho recipiente se llama molde.

El moldeo se realiza así:

Las diferentes aplicaciones de las piezas así obtenidas dependen de la técnica de moldeo empleada:

• Moldeo en arena: Bloques de motores, bocas de incendio.

• Moldeo en metal: Piezas pequeñas y aleaciones de bajo punto de fusión.

• Moldeo en cera: Objetos decorativos, joyería, objetos artísticos, álabes de turbinas, piezas de odontología.

5.3 Deformación

• Laminación: Se hace para la pieza metálica por una serie de rodillos, denominados laminadores, que la comprimen, con lo que disminuye sus grosores y aumenta su longitud. Este proceso suele hacerse en caliente y se emplea para obtener planchas, chapas de distintos grosores, barras, etc.

• Forja: Se somete la pieza metálica a esfuerzos de compresión repetidos y continuos mediante un martillo o maza.

• Forja manual: Es una técnica antiquísima que se lleva a cabo en fraguas.

• Forja industrial o mecánica: En ella, la pieza se coloca sobre una plataforma que hace las veces de yunque. Mediante un mecanismo neumático o hidráulico, la maza se eleva y cae sucesivamente sobre la pieza, hasta que finaliza el trabajo conformado

• En ambos tipos de forja, la pieza metálica inicial suele estar caliente. Con esta técnica pueden obtenerse piezas muy diversas.

• Extrusión: Se hace pasar la pieza metálica por un orificio que tiene la forma deseada, aplicando una fuerza de compresión mediante un émbolo o pistón. Se obtienen barras, tubos y perfiles variados.

• Estampación: Se introduce una pieza metálica en caliente entre dos matrices o estampas, una fija y otra móvil, cuya forma coincide con la que se desea dar al objeto. A continuación, se juntas las dos matrices, con lo que el material adopta su forma interior.

• Embutición: Es un proceso de conformación en frío que consiste en golpear una plancha de forma que se adapte al molde con la forma deseada. Se emplea para obtener piezas huecas a partir de chapas planas.

• Doblado: Se somete una plancha a un esfuerzo de flexión a fin de que adopte una forma curva con un determinado radio de curvatura. Se realiza en frío.

• Trefilado: Se hace pasar la punta afilada de un alambre por un orificio y se aplica una fuerza de tracción mediante una bobina de arrastre giratoria. Al atravesar el alambre el orificio, aumenta su longitud y disminuye su sección. Se emplea para fabricar hilos o cables metálicos con secciones y diámetros muy diversos.

Las técnicas de conformación proporcionan en la mayoría de los casos piezas con formas definitivas. Como en ocasiones resultan inaplicables, son necesarias las técnicas de manipulación. Entre estas operaciones cabe destacar:

• Corte y marcado:

• Tijeras de chapa: se emplean para cortar láminas blandas y flexibles.

• Punta de trazar y granete: La punta de trazar se emplea para marcar líneas en piezas metálicas, el granete, para marcar puntos en las láminas.

• Prensa o troquel: Se usa para cortar planchas de espesor no superior a 5 Mm.

• Sierra de calar: Se emplea para cortar planchas o láminas de grandes dimensiones.

• Gramil: Se utiliza para marcar líneas rectas y arcos de circunferencia sobre planchas metálicas.

• Guillotina: Se emplea para cortar láminas de pequeño grosor.

• Sierra de arco: Se utiliza cuando los cortes requieren precisión.

• Sierra circular: Se usa principalmente para cortar planchas o láminas de grandes dimensiones.

• Perforado:

• Punzón: Herramienta manual que permite hacer agujeros en el material. También se emplea para marcar el material.

• Taladradora: Es una máquina-herramienta que permite hacer agujeros en un material mediante una broca que gira a la vez que avanza.

• Tallado/Rebajado:

• Cincel y buril: Se utilizan para labrar el material.

• Fresadora: Es la máquina-herramienta más versátil. Según su horma, permite obtener diferentes diseños: ranuras muescas, dientes, levas…

• Desbastado/Afinado:

• Lima: Se utiliza para arrancar el material sobrante de la pieza, proporcionando a esta un buen acabado.

• Rasqueta: Se emplea para arrancar pequeñas virutas de piezas previamente mecanizadas, sobre todo para perfeccionar el acabado superficial del interior de piezas huecas.

• Lijadora: El motor de que consta hace que una lija se mueva alternativamente y a gran velocidad, de cómo que se consigue un lijado rápido y uniforme, aunque la utilización correcta de esta herramienta precisa de cierta experiencia.

• Rectificadora: Es una máquina eléctrica de elevada precisión que arranca material con objeto de dar acabado final a la pieza y así ajustar sus dimensiones exactas.

Una vez manipulados, los materiales metálicos se pueden juntar mediante uniones desmontables o fijas.

7.1 Uniones Desmontables

Permiten la unión y separación de las piezas mediante elementos roscados, sin que se produzca rotura de los elementos de unión ni deterioro de las piezas. Por ejemplo:

• Tornillo pasante con tuerca: Este tornillo atraviesa por un lado las piezas que van a unir, y la tuerca se enrosca a la parte del tornillo que sobresale por el otro lado.

• Tornillo de unión: Su función es fijar una pieza enroscándose en otro, sobre la que se ha practicando previamente un agujero enroscado.

• Tornillo de rosca cortante: Se enrosca en una de las piezas que se van a unir, pero en este caso la rosca se realiza a medida que el tornillo se va introduciendo en la pieza.

• Espárrago: Consiste en una varilla roscada por dos extremos, con la parte central sin roscar. Uno de los extremos se fija a una pieza metálica de gran tamaño, a la que se une mediante el espárrago otra pieza desmontable más sencilla.

• Chaveta y lengüeta: La chaveta es una pieza de acero en forma de cuña que permite fijar dos piezas. Cuando a la chaveta se le añaden tornillos para reforzar la unión, se denomina lengüeta.

• Ejes estriados: Las dos piezas cilíndricas poseen ranuras que encajan entre sí.

• Guías: Permiten el desplazamiento de dos piezas entre sí.

7.2 Uniones fijas

En las uniones fijas no es posible separar las piezas sin que estas se deterioren. Por ejemplo:

· Remache: Se introduce una pieza cilíndrica en los orificios de las piezas que se van a unir; a continuación, con una máquina denominada remachadora, se practica otra cabeza en e extremo opuesto, de modo que las dos piezas quedan unidas.

· Unión por ajuste a presión: Se introduce en un orificio, un eje de diámetro un poco mayor que el de el orificio.

· Adhesivos: Son sustancias capaces de producir una unión permanente cuando se interponen entre dos superficies metálicas. Entre los adhesivos para materiales cabe destacar los siguientes.

· Adhesivo termofusible: Se aplica sobre el material mediante una pistola de encolar. Cuando se conecta la pistola, se calienta la resistencia que contiene y la barrita termofusible se funde.

· Resinas de dos componentes: Este adhesivo tiene el inconveniente de que su tiempo de secado puede ser de varias horas; sin embargo, proporciona una unión excelente y es resistente al agua.

· Adhesivos instantáneos: Pueden emplearse para unir piezas metálicas entre sí o con otras no metálicas. Una vez aplicado el adhesivo, deben unirse rápidamente las piezas, pues si secado es casa instantáneo.

· Soldadura: Es la unión de materiales por medio de la aplicación de calor y presión sobre sus superficies. Por ejemplo:

· Soldadura blanda: Se utiliza un soldador eléctrico, así como una aleación de estaño y plomo material como aportación. Se aproxima la punta del soldador y el carrete a las piezas que se van a unir y se retiran ambos una vez fundido y depositado el material de aportación, con lo que la soldadura se solidifica rápidamente.

· Soldadura fuerte: El proceso de soldadura es idéntico al anterior, con la única diferencia de que, al ser la temperatura alcanzada mucho mayor, la unión resulta más fuerte.

· Soldadura oxiacetilénica: Se emplea un soplete oxiacetilénico, que es una pistola que se alimenta a través de dos tubos de entrada independientes. Al mezclarse el oxígeno y el acetileno, se produce una llama muy energética, que sale por una boquilla.

El acabado de un producto consiste en la aplicación de lacas, pinturas y esmalte con una doble finalidad: protegerlo de la humedad y la corrosión y embellecerlo al proporcionar un brillo y color al objeto acabado.

• Antes de aplicar la pintura o laca, es importante limpiar el metal de grasas y suciedad. Después se lima la pieza hasta que esté uniforme. La superficie del metal se debe frotar siempre con movimientos circulares.

• La capa de pintura, proporciona excelente protección a la superficie del material. Antes de pintar, conviene añadir un producto anticorrosivo para que la protección sea más duradera.

• Los pinceles, las brochas y los rodillos son utensilios que se utilizan para aplicar pinturas.

• Otros acabados

• En ocasiones, es aconsejable aplicar al metal un recubriendo de plástico para protegerlo de la humedad.

• Así mismo, muchos objetos metálicos recubiertos con otros metales que mejoran su aspecto y evitan su corrosión.

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