Los metales

1 Materiales de uso técnico

Los metales: son materiales que se obtienen a partir de los minerales que forman parte de las rocas. El metal de hierro se extrae de minerales como: la magnetita o la siderita. En un yacimiento se encuentran unidos los minerales útiles, o mena y los materiales no utilizables, o ganga. Estos últimos deben ser separados de los primeros mediante procesos físicos.

Los metales se caracterizan por ser unos materiales muy pesados, son buenos conductores del calor y de la electricidad, a temperatura ambiente están en estado sólido (a excepción del mercurio que se presenta en estado liquido), son muy resistentes y tiene un brillo característico.

2 La metalurgia y la siderurgia

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

La Siderurgia: es el conjunto de industrias que se encargan de la extracción y transformación de los minerales ferrosos (minerales del hierro). Al

Siderurgia es la metalurgia del hierro.

Una vez extraído el mineral de la mina, se efectúan una serie de procesos industriales para separa la mena. Es frecuente hacer una primera trituración de las rocas, un lavado para retirar las tierras e incluso una separación pro medo de imanes.

Cuando la mena ya esta preparada, es necesario extraer de ella el metal y, para conseguirlo, se introduce en un horno especial, donde son fundidas con el hierro; de esta forma se el metal útil. Este proceso se efectúa en hornos especiales, llamados altos hornos.

3 La aleación

La aleación: es una mezcla de dos o mas elementos químicos uno de los cuales, el que encuentre en mayor proporción, ha de ser un metal.

4 Tipos de metales

Atendiendo a su procedencia los metales se clasifican en metales ferrosos y no ferrosos:

Metales ferrosos: son aquellos cuyo componente principal es el hierro. Entre ellos se encuentra el hierro puro, el acero y las fundiciones. Todo ellos son aleaciones que se obtienen añadiendo carbón al hierro:

Hierro puro: concentraron de carbono <0'03%

Acero: concentraron de carbono >0'03% y <0'76%

Fundición: concentraron de carbono >0'76% y <6'67%

Metales no ferrosos: Son materiales metálicos que no contienen hierro o que lo contienen en muy pequeñas cantidades. Por ejemplo el cobre, oro, palta, bronce, latón…

5 El alto horno

El horno se carga echando por el tragante capas sucesivas de mena, carbón de choque y fundentes. Al quemar el carbón se logran temperaturas superiores a los 2.000ºC con lo que el hiero se funde y, al tener mayor densidad que el resto de los materiales, queda depositado en el fondo del alto horno llamado crisol, estado liquido.

Para que el carbón pueda arder, es necesario inyectar aire caliente en el interior del horno por medio de una serie de tubos, llamados toberas.

El hierro fundido sale por un orificio situado en la parte inferior del crisol, llamado piquera, y las escorias, menos pesadas, salen por otro orificio, llamado bigotera.

6 Arrabio, acero y fundiciones

6.1. El arrabio

El hierro se extrae de la primera fusión de las menas en el alto horno, llamado arrabio. Su empleo se restringe casi en exclusiva para la fabricación de imanes.

6.2. El acero

El acero es un producto que se obtiene por medio de la fusión del arrabio llamado afino que se hace en hornos especiales, denominados convertidores.

El acero es unja aleación de hierro y carbono, con un porcentaje menor al 2%.

En muchas ocasiones es necesario fabricar aceros que posean propiedades especiales, para lo cual se vierten en el convertidor determinados elementos de aleacion que modifican las características originales del metal. A estos aceros se les llama aceros aleados; entre los mas representativos están los aceros inoxidables (18% cromo y 8% níquel).

6.3. Las fundiciones

Son, como los aceros, aleaciones de hierro y carbono, en las que este esta en un porcentaje comprendido entre el 2% y el 6%.

En general, las fundiciones son mas duras que los aceros, aunque esta esta dureza la hace mas frágiles (quebradizas).

7 Otros metales de uso técnico

En ocasiones el hierro y sus derivados son superados por otros materiales, que lo hace más idóneos para aplicaciones concretas.

El acero y las fundiciones son metales muy pesados, por lo que otros más ligeros, pueden ser apropiados cuando se trata de construir elementos donde esta premisa sea decisiva.

En otras ocasiones es preciso que el material sea buen conductor del calor o de la electricidad y, como los derivados del hierro no poseen buenas propiedades de ese tipo, es necesario elegir otros que la posean, como el caso del cobre.

Dentro de los metales de uso técnico, es frecuente hacer una división en función de su densiadad. Aquellos mas pesados que el hierro se denominan metales pesados, y los de menor densidad que el hierro forman el grupo de los metales ligeros.

7.1. Metales pesados: el cobre

El cobre fue uno de los primeros metales que empezó a utilizar el hombre y se obtiene de minerales como la calcopirita, la azurita o la calcosina.

El cobre puro es un metal de color rojizo, muy dúctil, resistente y muy buen conductor del calor y la electricidad. Estas propiedades le convierten en un metal idóneo para fabricar cables conductores.

El cobre es un metal relativamente blando, por lo resulta fácil forjarlo; cuando se hace, adquiere mayor dureza. Mezclado con estaño, se forma una aleación llamada bronce, que resulta mucho mas dura. Los bronces también se conocen desde la antigüedad.

Otra aleación muy utilizada es la forma por el cobre y el cinc, llamada latón.

7.2. Otro metal pesado: el estaño

No tiene la importancia del cobre, pero con el se fabrican muchos objetos. Su color el plateado y se extrae de un mineral llamado caserita.

La técnica para la obtención del estaño a partir de la casiterita es similar a la del hierro o el cobre. Las características más importantes del estaño son:

Su facilidad para hacer laminas muy delgadas.

Su resistencia a la corrección.

Su buena conducción del calor y la electricidad; y su bajo punto de fusión.

7.3. Metales ligeros

Se dice que un metal es ligero cuando pesa menos que el hierro.

El aluminio: se extrae de un mineral llamado bauxita, muy abundante en la naturaleza. Es muy ligero, conduce bien la electricidad y el calor, no se oxida y es fácil darle forma.

El magnesio: es mas ligero que el aluminio y se extrae de un mineral llamado magnesita. El magnesio es un metal relativamente blando.

El titanio: es más pesado que el aluminio, pero posee mejores características mecánicas que los anteriores. Además es resistente a la corrosión de las aguas marinas.

8 Propiedades de los metales

Las propiedades de los metales se dividen en físicas, químicas y mecánicas:

Propiedades físicas

Densidad: es la relación que existe entre la masa de un cuerpo y el volumen que ocupa.

Temperatura de fusión: es la tempera a la que hay que elevar a un metal para que este se funda.

Conductividad térmica y eléctrica: es la mayor o menor facilidad que presenta un material para transmitir el calor o la electricidad.

8.1. Propiedades químicas

La corrosión: Cuando un metal se corroe, se produce una capa superficial de metal corroído que progresa hacia el interior de la pieza, pudiendo llegar a su destrucción total.

La corrosión es debida a una reacción química que producen determinados elementos, entre ellos la humedad de la atmósfera con los metales. El agua del mar es uno de los elementos más corrosivos.

Los métodos más usuales para proteger los metales de la corrosión son las imprimaciones con pinturas especiales (minio) o el recubrimiento con otros metales. También se emplea el cinc como elemento protector del acero, en un proceso llamado galvanizado.

8.2. Propiedades mecánicas

Elasticidad: es la propiedad que tiene los materiales para recuperar su forma inicial después de haberlos sometido a esfuerzos.

Plasticidad: es la propiedad que tienen los materiales para admitir deformaciones permanentes sin romperse.

Dureza: es la resistencia que opone un material a ser rayado o penetrado por otro.

9 Procesos de conformación de metales

En la industria se emplean multitud de procesos para dar forma a los productos. Todos ellos los podemos clasificar en cuatro grandes grupos:

• Procesos con separación de material.

• Procesos con unión de materiales

• Procesos con desplazamiento del material.

• Procesos que parten de materiales fundidos o en forma de pequeñas partículas.

10 Conformación de metales por separación de material

En este proceso se consigue una pieza terminada por medio de la separación de material sobrante. La operación de material sobrante se puede efectuar por medio de corte con sierra, manual o mecánica, o por eliminación del material, en forma de viruta, que también puede hacerse de forma manual o mecánica.

Cuando la operación se hace por medio de arranque de viruta de forma manual, se emplean limas y escofinas; si se hace con maquinas especiales, se llama mecanizado.

10.1. El torno

Es una maquina-herramienta en la que la pieza a la que vamos a eliminar el material sobrante se coloca cogida con unas mordazas sobre un plato giratorio y contra ella se aproxima una herramienta de corte que va sujeta a un carro móvil

Con el torno se pueden hacer multitud de operaciones, entra las que destacan:

Cilindrado: consiste en reducir el diámetro de una pieza cilíndrica. Para efectuarlo, se fija la pieza en el plato, a continuación se calcula la profundidad del corte necesario para dejarla con el diámetro preciso y, por ultimo, se va desplazando la herramienta en dirección paralela al eje de la pieza. Si la cantidad de material que hay eliminado es muy grande, la operación se puede hacer en varias pasadas.

Refrentado: es una operación que consiste en eliminar el material sobrante de las bases de una pieza cilíndrica. Como en el cilindrado, una vez fijada la pieza en el plato del torno, se calcula la anchura del corte y a continuación se desplaza la herramienta en dirección al centro de ésta.

Roscado: es una operación que se realiza para hacer roscas partiendo de una pieza cilíndrica. Para ello se ha de montar una herramienta con filo triangular cuyo ángulo sea el de la rosca a ejecutar. Esta operación se hace poniendo el torno en forma automática.

10.2. La fresadora

Es una maquina-herramienta que esta provista de un eje giratorio en el que va montada la herramienta, llamada fresa.

La fresa es una herramienta de corte múltiple, similar a de un engranaje con los dientes afilados.

Las operaciones más importantes son:

Planeado: en esta operación se elimina el material sobrante de una superficie para dejarla perfectamente plana

Ranurado: se hacen ranuras, lineales o circulares, sobre superficies planas.

Tallado de engranajes: con este procedimiento se hacen los dientes de los engranajes.

11 Conformación de metales por unión de materiales

Por este procedimiento de conformación se forman piezas complejas uniendo otra de forma más sencilla.

11.1. Unión por soldadura

Es el procedimiento mas usado y consiste en calentar, e incluso fundir, los extremos de las piezas, para conseguir de esta forma la unión entre ambas. Dependiendo del elemento que suministra el calor, podemos distinguir:

Soldadura blanda: emplea el calor producido por una resistencia situada en un soldador.

Soldadura eléctrica: el calor producido en este método esta provocado por el arco eléctrico que se produce entre dos conductores eléctricos llegan alcanzándose a alcanzas temperaturas superiores a los 5000º C.

Dentro de este tipo de soldadura, los procedimientos más empleados son: por arco y por puntos. El primero se efectúa al fundirse los extremos de las piezas junto con el metal procedente del electrodo. Por puntos emplea dos electrodos una por cada lado de las piezas a unir, formando un punto de soldadura entre ambas.

Soldadura oxiacetilénica: Recibe este nombre porque el calor para producir la unión de las piezas se logra por la combustión de la mezcla de dos gases el oxigeno y el acetileno.

11.2. Uniones roblonadas

Los roblones son parecidos a los tornillos pero sin rosca. Tienen una cabeza de forma semiesférica y un vástago, y para conseguir la unión entre piezas, se hace un taladro y se introduce el roblón, y luego se comprime para crear la cabeza de cierre de la unión.

Cuando la unión se hace con roblones pequeños, la operación se llama remachado.

La remachadora es una especie de tenaza grande que en el extremo lleva un cilindro con un orificio por donde se introduce el remache.

Al igual que en el roblonado, se taladran las piezas a unir y, a continuación, se introduce el elemento de unión.

11.3. Uniones atornilla das

Se efectúan por medio de tornillos tienen la ventaja sobre las uniones soldadas de ser desmontables. Existen otros tipos de tornillos que se emplean para atornillar sobre madera o cobre chapas delgadas.

12 Conformación por desplazamiento de material

Consiste en, partiendo de una determinada masa, modificar su forma por medio de la aplicación de esfuerzos.

12.1. La forja

Antiguamente se hacia calentando la pieza en una fragua y golpeándola don una maza sobre un yunque hasta conseguir la forma deseada. En la actualidad se emplean martinetes o

prensas accionadas por diversos mecanismos.

El martinete esta accionado por un motor que mueve un volante sobre el que se va montando un sistema de biela-manivela. En el extremo de esta la maza que golpea, de forma intermitente, la pieza apoyada sobre un yunque fijado a la maquina.

La prensa esta accionada por una bomba que suministra aceite a elevada presión. Este aceite es enviado a un cilindro hidráulico, en cuyo vástago esta colocada la maza. A medida que va entrando el aceite en la cámara superior del cilindro, la maza desciende lentamente y presiona la pieza apoyada en el yunque hasta conseguir el espesor deseado. Una variante de la forja por medio de prensas es el procedimiento denominado, estampación.

12.2. Laminación

Es un proceso que consiste en hacer pasar el material a conformar entre dos rodillos, con el fin de disminuir su grosor o darle una forma terminada.

13. Conformación por metales fundidos: moldeo

Este otro proceso de conformación de materiales consiste en calentar un material hasta llegar a fundirlo y llenar un molde que reproduce en su interior la forma de la pieza a fabricar. Los moldes se fabrican aglomerando, en el interior de unas cajas de arenas especialmente tratadas para resistir elevadas temperaturas.

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