FUNDAMENTOS DE LOS MATERIALES

PARTE II

Presentan:

Leonardo López Márquez

José de Jesús Medel Juárez,

María Teresa Zagaceta Álvarez,

Rosaura Palma Orozco,

PRÓLOGO

En este libro se presentan una compilación de datos relacionados con la clasificación de

los materiales: cerámicos, polímeros, metales y no metales, destacando sus

características y propiedades físicas, explicados de forma sencilla lo cual permite definir

su funcionalidad y aplicación dentro de la ingeniería; permitiendo así al estudiante una

rápida comprensión y dominio del tema. Es fundamental conocer las características de

cada tipo de material para así poder manipular sus propiedades mecánicas y de esta

manera mejorar su funcionalidad. Para lograr entender el comportamiento de los

diferentes tipos de materiales es necesario comprender el concepto de materia el cual fue

descrito en la parte I de este texto desde el punto de vista de la microestructura. En

forma específica se enfatiza el concepto de estructura cristalina en cada tipo de material

y a la aplicación de cada uno de ellos en la ingeniería.

La microestructura de cada material nos permite conocer y modificar sus propiedades en

base a tratamientos térmicos así como la generación de nuevos materiales o posibles

averías de los materiales que están en uso. La aplicación en la industria de la ciencia de

materiales incluye la elección del material, su coste-beneficio para obtener dicho

material, las técnicas de procesado y las técnicas de análisis.

ÍNDICE GENERAL Parte II

Parte II

4 POLIMEROS 50

4.1 Polimerización 51

4.2 Termoplásticos y sus propiedades 53

4.3 Termoestables y sus propiedades 57

4.4 Elastómeros y sus propiedades 59

5 CERÁMICOS

61

5.1 Clasificación de los cerámicos 61

5.1.1 Cerámicos cristalinos y sus propiedades 62

5.1.2 Cerámicos no cristalinos y sus propiedades 63

5.1.3 Vitrocerámicos 67

5.2 Otros Cerámicos 67

5.3 Aplicaciones 69

6 METALES 71

6.1 Metales no ferrosos 71

6.1.1 Metales no ferrosos pesados 74

6.1.2 Metales no ferrosos ligeros 87

6.1.3 Metales no ferrosos ultraligeros 91

6.2 Metales ferroso 93

6.2.1 Acero 93

6.3 Fundiciones 101

6.3.1 Fundición de hierro gris 102

6.3.2 Fundición blanca 103

6.3.3 Fundición maleable 104

7 TRATAMIENTOS TERMICOS

105

7.1 Recocido 107

7.1.1 Recocido total 107

7.1.2 Recocido de ablandamiento 108

7.1.3 Recocido de globularización o de colescencia 109

7.1.4 Recocido de recristalización 109

7.2 Normalizado 109

7.3 Temple 111

7.3.1 Temple continuo 117

7.3.2 Temple discontinuo o martempering 117

7.3.3 Temple isotérmico bainítico 117

7.3.4 Temple por inducción 118

7.4 Revenido 118

7.5 Cementado 122

7.5.1 Carburizado 124

7.5.2 Cianurado 125

7.5.3 Carbonitrurado 125

7.5.4 Nitrurado 126

7.5.5 Inducción 126

7.5.6 Por flama 12/

7.6 Hornos utilizados en los tratamientos térmicos 129

7.6.1 Horno de gas 130

7.6.2 Horno de resistencia eléctrica 130

7.6.3 Horno según su atmósfera 130

7.6.4 Horno en vacio 131

7.6.5 Hornos de atmósfera del tipo de generador

exotérmico endotérmico

131

50

CAPÍTULO 4

POLÍMEROS

Los polímeros son materiales que consisten en moléculas gigantescas o macromoléculas

en cadena con pesos moleculares promedio de 10000 a más de 1000000g/mol y que se

forman al unir muchos meros o unidades mediante enlace químico. La mayoría de los

polímeros, sólidos o líquidos son orgánicos basados en hidrocarburos pero también

pueden ser inorgánicos.

El sufijo mero significa unidad pero dentro del contexto de polímeros se refiere a un

grupo unitario de átomos o moléculas que definen el arreglo característico de los

polímeros. Existen varias formas posibles de clasificar los polímeros, sin que sean

excluyentes entre sí. Según su origen:

• Polímeros naturales. Existen en la naturaleza muchos polímeros y las

biomoléculas que forman los seres vivos son macromoléculas poliméricas. Por

ejemplo, las proteínas, los ácidos nucleicos, los polisacáridos (como la celulosa y

la quitina), el hule o caucho natural, la lignina, etc.

• Polímeros sintéticos. Muchos polímeros se obtienen industrialmente a partir de

los monómeros. Por ejemplo, el nylon, el poliestireno, el cloruro de polivinilo

(PVC), el polietileno, etc.

Según su mecanismo de polimerización

• Polímeros de condensación. La reacción de polimerización implica a cada paso

la formación de una molécula de baja masa molecular, por ejemplo agua.

• Polímeros de adición. La polimerización no implica la liberación de ningún

compuesto de baja masa molecular. Esta polimerización se genera cuando un

"catalizador", inicia la reacción. Este catalizador separa la unión doble carbono en

51

los monómeros, luego aquellos monómeros se unen con otros debido a los

electrones libres, y así se van uniendo uno tras uno hasta que la reacción termina.

4.1 Polimerización

La reacción por la cual se sintetiza un polímero a partir de sus monómeros se denomina

polimerización. Según el mecanismo por el cual se produce la reacción de

polimerización para dar lugar al polímero, ésta se clasifica como polimerización por

pasos o como polimerización en cadena. En cualquier caso, el tamaño de la cadena

dependerá de parámetros como la temperatura o el tiempo de reacción, teniendo cada

cadena un tamaño distinto y, por tanto, una masa molecular distinta, por lo que se habla

de masa promedio para el polímero.

Por otra parte, los polímeros pueden ser lineales, formados por una única cadena de

monómeros, o bien esta cadena puede presentar ramificaciones de mayor o menor

tamaño. También se pueden formar entrecruzamientos provocados por el enlace entre

átomos de distintas cadenas. La naturaleza química de los monómeros, su masa

molecular y otras propiedades físicas, así como la estructura que presentan, determinan

diferentes características para cada polímero. Por ejemplo, si un polímero presenta

entrecruzamiento, el material será más difícil de fundir que si no presentara ninguno

En el caso de que el polímero provenga de un único tipo de monómero se denomina

homopolímero y si proviene de varios monómeros se llama copolímero o

heteropolímero. Por ejemplo, el poliestireno es un homopolímero, pues proviene de un

único tipo de monómero, el estireno, mientras que si se parte de estireno y acrilonitrilo

se puede obtener un copolímero de estos dos monómeros. En los heteropolímeros los

monómeros pueden distribuirse de diferentes maneras, particularmente para polímeros

naturales, los monómeros pueden repetirse de forma aleatoria, informativa

Polimerización por adición: ocurre cuando la molécula de monómero pasa a formar

parte del polímero sin pérdida de átomos, es decir, la composición química de la cadena

resultante es igual a la suma de las composiciones químicas de los monómeros que la

conforman. La polimerización por adición puede ser:

52

• Adición de moléculas pequeñas de un mismo tipo unas a otras por apertura del

doble enlace sin eliminación de ninguna parte de la molécula (polimerización de

tipo vinilo.).

• Adición de pequeñas moléculas de un mismo tipo unas a otras por apertura de un

anillo sin eliminación de ninguna parte de la molécula (polimerización tipo

epóxido.).

• Adición de pequeñas moléculas de un mismo tipo unas a otras por apertura de un

doble enlace con eliminación de una parte de la molécula (polimerización alifática

del tipo diazo.).

• Adición de pequeñas moléculas unas a otras por ruptura del anillo con eliminación

de una parte de la molécula (polimerización del tipo a -aminocarboxianhidro.).

• Adición de birradicales formados por deshidrogenación (polimerización tipo p-

xileno.).

La polimerización por adición ocurre debido a que el monómero original contiene un

enlace covalente entre los átomos de carbono. Para que inicie el proceso por adición se

agrega un iniciador al monómero, el iniciador que actúa como interruptor, forma

radicales libres con el si tipo que atrae uno de los átomos de carbono de un monómero.

Al ocurrir esta reacción, el sitio reactivo se transfiere a otro átomo de carbono del

monómero y empieza a formarse una cadena. En este nuevo sitio se puede fijar una

segunda unidad de repetición, alargándose a si la cadena. Este proceso sigue igual hasta

que se haya formado una larga cadena, es decir un polímero por adición. Los iniciadores

más comunes son los peróxidos ya que reaccionan con los monómeros. Las cadenas

poliméricas creadas por adición deben tener un mecanismo que detenga el crecimiento

de la cadena. Uno de estos mecanismos es el unir las extremidades de dos cadenas este

proceso se llama combinación y crea una sola cadena a partir de dos más cortas. Otro

mecanismo es que el extremo activo de una de las cadenas se le quite un átomo de

hidrogeno.

Polimerización por condensación: ocurre cuando la molécula de monómero pierde

átomos cuando pasa a formar parte del polímero. Por lo general se pierde una molécula

pequeña, como agua. La polimerización por condensación genera subproductos, la

polimerización por adición no. Se forman poliésteres, poliamidas, poliéteres,

polianhidros, etc., por eliminación de agua o alcoholes.

53

4.2 Termoplásticos y sus propiedades Los polímeros termoplásticos pueden ser amorfos o cristalinos se componen de largas

cadenas producidas al unir moléculas pequeñas o monómeros y típicamente se

comportan de una manera plástica y dúctil. Al ser calentados a temperaturas elevadas,

estos polímeros se ablandan y se conforman por flujo viscoso. Los polímeros

termoplásticos se pueden reciclar con facilidad. Los polímeros termoplásticos son

materiales ligeros resistentes a la corrosión de baja resistencia y rigidez y no son

adecuados para uso a temperaturas altas ya que sus propiedades de los termoplásticos

cambian en función de la temperatura.

Comportamiento elástico: en los polímeros termoplásticos la deformación elástica es el

resultado de dos mecanismos. Un esfuerzo aplicado hace que se estiren y distorsionen

los enlaces covalentes de las cadenas, permitiendo que estas se alarguen elásticamente.

Al eliminar el esfuerzo se recuperan de esta distorsión prácticamente de manera

instantánea.

Comportamiento plástico: los polímeros termoplásticos se deforman plásticamente

cuando se excede al esfuerzo de cedencia. Sin embargo, la deformación plástica no es

una consecuencia de movimiento de dislocación. En lugar de eso, las cadenas se estiran,

giran, se deslizan bajo la carga, causando una deformación permanente.

Viscoelasticidad: la capacidad de un esfuerzo para provocar el deslizamiento de

cadenas y la deformación plástica está relacionada con el tiempo y la rapidez de

deformación. Si el esfuerzo se aplica lentamente, las cadenas se deslizan fácilmente una

al lado de otra; si se aplica con rapidez, no ocurre deslizamiento y el polímero se

comporta de manera frágil.

Impacto: el comportamiento viscoelástico también ayuda a comprender las propiedades

al impacto de los polímeros. A muy altas velocidades de deformación, como en una

prueba de impacto, no hay tiempo suficiente para que las cadenas se deslicen causando

deformación plástica. En estas circunstancias, los termoplásticos se comportan de

manera frágil y tienen valores pobres al impacto. A bajas temperaturas en un ensayo al

54

impacto se observa el comportamiento frágil en tanto que a temperaturas más elevadas

donde las cadenas se mueven con mayor facilidad, se observa un comportamiento dúctil.

Corrosión: el ataque por una diversidad de insectos y microbios es una forma de

corrosión en los polímeros. El polietileno, el propileno y el poliestireno son resistentes a

este tipo de corrosión. Sin embargo algunos como los poliésteres y el cloruro de

polivinilo plastificado (PVC) son particularmente vulnerables a la degradación

microbiana. Estos polímeros se pueden descomponer por radiación o ataque químico en

moléculas de bajo peso molecular hasta que son lo suficientemente pequeños para ser

ingerido por los microbios. Además se producen polímeros especiales que se degradan

con rapidez, un ejemplo de esto es un copolímero del polietileno y el almidón.

Fractura: los polímeros pueden fallar ya sea por mecanismo dúctil o por mecanismo

frágil. Por debajo de la temperatura de transición vítrea, los polímeros termoplásticos

fallan en modo frágil, de manera muy parecida a los vidrios cerámicos. Sin embargo por

encima de la temperatura de transición vítrea fallan en forma dúctil, con evidente

deformación extensa e incluso extricción antes de la falla.

Propiedades Ópticas: desde el punto de vista de su utilización, las propiedades ópticas

más interesantes de los materiales plásticos, son las relacionadas con su capacidad de

transmitir la luz, la transparencia, tomar color y disponer de brillo, que proporcionan a

los objetos fabricados una apariencia visual estética de alta calidad.

Propiedades Térmicas: los polímeros industriales son malos conductores de calor. Su

conductividad térmica es similar a la de la madera y muy inferior a la del vidrio. El

fenómeno de la transición del calor por conducción de los materiales no metálicos en los

que no existen los electrones móviles, puede considerarse como la transición del

movimiento vibratorio de unos átomos de mayor nivel enérgico continuos; esta

transmisión resulta mucho más fácil cuando su estructura es cristalina, estando dispuesto

los átomos ordenadamente en el espacio, que en los materiales amorfos.

55

Propiedades Eléctricas: los polímeros termoplásticos son materiales aislantes pero

algunos polímeros termoplásticos complejos como el acetal poseen una conductividad

térmica útil.

A continuación se enlista los principales termoplásticos y sus aplicaciones.

• El cloruro de polivinilo o más conocido como el PVC se utiliza para fabricar

tuberías, válvulas, coples, loseta de piso, aislamiento para conductores, y techos

de vinil para automóviles.

• El polipropileno se utiliza para la fabricación de tanques, aplicación en el moldeo

por inyección de piezas de electrodomésticos, utensilios péquenos, piezas de

automóviles, fibras para alfombras, cuerdas y empaques.

• El poliestireno se utiliza para la fabricación de empaques y espumas aislantes,

paneles de iluminación, copolímeros resistentes al calor y al impacto, piezas

ópticas de plástico, juguetes, componentes de aparatos y rejas para huevos.

• El poliacrilonitrilo (PAN) se utiliza para la fabricación de fibras textiles, precursor

para fibras de carbón y recipientes de alimento.

• El polimetilmetacrilato (PMMA), (acrilicoplesiglas) se utiliza para la fabricación

de ventanas, parabrisas, recubrimientos, lentes de contacto rígidos, señalizaciones

iluminadas internamente.

• El policlorotriflouroetileno se utiliza para la fabricación de componentes para

válvulas, juntas, tuberías y aislamiento eléctrico.

• El politetraflouroetileno mas conocido como el teflón se utiliza para la producción

de sellos, aislantes para cables, aislamientos de motores, aceites, transformadores,

generadores, acondicionamiento de la estanqueidad de válvulas, válvulas y

recubrimientos no adherentes.

56

• El Polioximetileno (acetal) (POM) se utiliza en la fabricación de accesorios de

plomería, plumas, engranes y aspas de ventilador.

• La Poliamida (PA) mas conocido como nylon es utilizado en la fabricación de

cojines, engranajes, fibras, cuerdas, componentes de automotores y componentes

eléctricos. La Poliamida (PI) se utiliza en la fabricación de adhesivos, tableros de

circuitos y fibras para transbordadores espaciales.

• El poliéster es utilizado por la fabricación de fibras, películas fotográficas, cintas

de grabación, contenedores de agua caliente y recipientes para bebidas. La cinta

magnética para aplicaciones de video y audio se produce mediante evaporación,

pulverización o recubrimiento de partículas de un material magnético como el

Fe2O3 sobre la superficie de una cinta de poliéster.

• El policarbonato se utiliza para la fabricación de carcazas eléctricas y aparatos,

componentes automotrices, cascos de fútbol americano y botellas retornables.

• La polietereterketona (PEEK) se utiliza apara la fabricación de alimentos y

recubrimientos eléctricos de alta temperatura.

• El sulfuro de polifenileno (PPS) se utiliza para la fabricación de recubrimientos,

componentes para manejos de fluidos, componentes electrónicos y componentes

para secadores de pelo.

• La sulfona de poliéster (PES) se utiliza para la fabricación de componentes

eléctricos, cafeteras, secadores eléctricos y componentes de hornos microondas.

• La poliamidaimida (PAI) se utiliza para la fabricación de componentes

electrónicos, aplicaciones aerospaciales y automotrices.

• Los fenólicos se utilizan en la fabricación de adhesivos, y recubrimientos

laminados.

57

• Las aminas se utilizan en la fabricación de adhesivos, utensilios de cocina, y

moldes eléctricos.

• Los epóxicos se utilizan para la fabricación de adhesivos moldes eléctricos, y

matrices para materiales compuestos.

• Los uretanos se utilizan para la fabricación de fibras, recubrimientos y espumas.

• La silicona se utiliza como adhesivo, y como selladores.

4.3 Termoestables y sus propiedades

Los polímeros termoestables son infusibles e insolubles. La razón de tal comportamiento

estriba en que las cadenas de estos materiales forman una red tridimensional espacial,

entrelazándose con fuertes enlaces covalentes. La estructura así formada toma el aspecto

macroscópico de una única molécula gigantesca, cuya forma se fija permanentemente,

debido a que la movilidad de las cadenas y los grados de libertad para rotación en los

enlaces es prácticamente cero. Los termoestables poseen algunas propiedades ventajosas

respecto a los termoplásticos. Por ejemplo, mejor resistencia al impacto, a los solventes,

a la permeación de gases y a las temperaturas extremas. Entre las desventajas se

encuentran, generalmente, la dificultad de procesamiento, la necesidad del curado, el

carácter quebradizo del material (frágil) y el no presentar reforzamiento al someterlo a

tensión.

Comportamiento elástico: en los polímeros termoestables presentan menor

deformación elástica que los termoplásticos, ya que cuando se les aplica un esfuerzo no

se estiran debido a que sus moléculas están fuertemente unidas por enlaces cruzados

para formar una estructura tridimensional.

Comportamiento plástico: los polímeros termoestables no se deforman plásticamente

ya que sus cadenas no se estiran al estar entrelazadas y se vuelven frágiles.

58

Viscoelasticidad: si el esfuerzo se aplica lentamente, las cadenas se deslizan fácilmente

una al lado de otra; si se aplica con rapidez, no ocurre deslizamiento y el polímero se

comporta de manera frágil.

Corrosión: estos polímeros se pueden descomponer por radiación o ataque químico en

moléculas de bajo peso molecular hasta que son lo suficientemente pequeños para ser

ingerido por los microbios. Además se producen polímeros especiales que se degradan

con rapidez, un ejemplo de esto es un copolímero del polietileno y el almidón.

Fractura: los polímeros termoestables son muy frágiles ya que su comportamiento

elástico y plástico es menor que los termoplásticos

Propiedades Ópticas: desde el punto de vista de su utilización, las propiedades ópticas

más interesantes de los materiales plásticos, son las relacionadas con su capacidad de

transmitir la luz, la transparencia, tomar color y disponer de brillo, que proporcionan a

los objetos fabricados una apariencia visual estética de alta calidad.

Propiedades Térmicas: estos polímeros resisten mayores temperaturas que los

termoplásticos pero no se funden solo se comienzan a desintegrar y no se pueden

reprocesar

Propiedades Eléctricas: los polímeros termoestables son materiales aislantes. A

continuación se enlista los principales termoplásticos y sus aplicaciones.

• Caucho natural vulcanizado

• Baquelita, una resina tipo fenol formaldehído utilizada principalmente en la

industria electrónica

• Duroplast

• Urea-Formaldehído Espuma (utilizada en imitaciones de madera y tableros

• Melamina (utilizada en tableros para trabajo)

• Resinas insaturadas de poliéster, que casi siempre se usan reforzadas con fibra de

vidrio

59

• Resina epoxi, utilizada como adhesivo y en plásticos reforzados.

• Poliuretanos

• Siliconas

4.4 Elastómeros y sus propiedades

Un elastómero es un polímero amorfo que cuenta con la particularidad de ser muy

elástico pudiendo incluso, recuperar su forma luego de ser deformado. Debido a estas

características, los elastómeros, son el material básico de fabricación de otros materiales

como la goma, ya sea natural o sintética, y para algunos productos adhesivos. A modo

más específico, un elastómero, es un compuesto químico formado por miles de

moléculas denominadas monómeros, los que se unen formando enormes cadenas. Es

gracias a estas grandes cadenas que los polímeros son elásticos ya que son flexibles y se

encuentran entrelazadas de manera muy desordenada.

Para modificar algunas de las características de los elastómeros, es posible añadir otros

elementos como el cloro, obteniendo así el neopreno tan utilizado en los trajes húmedos

para bucear. Para poder darle un uso más práctico a los elastómeros, estos deben ser

sometidos a diversos tratamientos. A través de la aplicación de átomos de azufre, este

polímero se hace más resistente gracias a un proceso denominado vulcanización. Si

además se le agrega otro tipo de sustancias químicas es posible lograr un producto final

bastante resistente a las amenazas corrosivas presentes en el medio ambiente. Como se

mencionaba con anterioridad, los elastómeros pueden ser utilizados para la fabricación

de adhesivos. Para ello son disueltos en una solución de solventes orgánicos y luego, se

le añaden ciertos adhesivos que mejoran su capacidad de adhesión y su durabilidad.

Comportamiento elástico: cuando un elastómero es estirado, sus moléculas se alinean,

permitiendo que muchas veces tomen un aspecto cristalino. Sin embargo, una vez que se

suelta, rápidamente, vuelve a su estado original de elástico desorden. Lo anterior

distingue a los elastómeros de los termoplásticos y termoestables.

Viscoelasticidad: si el esfuerzo se aplica lentamente, las cadenas se deslizan fácilmente

una al lado de otra y esto permite la deformación.

60

Corrosión: Estos polímeros no se degradan con facilidad

Propiedades Térmicas: los elastómeros trabajan no soportan temperaturas mayores a

los 100° C . Propiedades Eléctricas: los elastómeros son materiales aislantes.

Los elastómeros suelen ser normalmente polímeros termoestables pero pueden ser

también termoplásticos. Las largas cadenas poliméricas enlazan durante el curado. La

estructura molecular de los elastómeros puede ser imaginada como una estructura de

"espaguetis con albóndigas", en dónde las albóndigas serían los enlaces. La elasticidad

proviene de la habilidad de las cadenas para cambiar su posición por sí mismas y así

distribuir una cierta tensión aplicada. El enlace covalente asegura que el elastómero

retornará a su posición original una vez deje de aplicarse la tensión. Como resultado de

esa extrema flexibilidad, los elastómeros pueden alargarse de un 5% a un 700%,

dependiendo del material en concreto. Sin los enlaces o con pocos de ellos, la tensión

aplicada puede provocar una deformación permanente. Los elastómeros termoplásticos

al elevar la temperatura se vuelven blandos y moldeables. Sus propiedades no cambian

si se funden y se moldean varias veces. Al calentarlos no cambian de forma y siguen

siendo sólidos, por encima de una cierta temperatura, se degradan. La mayoría de los

elastómeros pertenecen a este grupo.

A continuación se enlista algunos elastómeros:

• Caucho natural (NR)

• Poliisopreno (IR, forma artificial del

caucho natural)

• Polibutadieno

• Caucho estireno-butadieno (SBR)

• Caucho butilo (IIR)

• Caucho nitrilo (NBR)

• Neopreno (CR)

• Caucho etileno-propileno (EPM)

• Caucho etileno-propileno-dieno

(EPDM)

• Caucho etileno-acetato de vinilo

(EVM)

• Caucho fluorado (FKM)

• Caucho acrílico (ACM)

• Polietileno clorado (CM)

• Polietileno clorosulfurado (CSM)

61

CAPÍTULO 5

CERÁMICOS

Los materiales cerámicos son compuestos químicos o soluciones complejas, que

contienen elementos metálicos y no metálicos. Estos materiales presentan una estructura

atómica formada por enlaces híbridos iónico-covalentes que posibilitan una gran

estabilidad de sus electrones y les confieren propiedades específicas. Tienen amplias

propiedades mecánicas y físicas son duros, frágiles, con un alto punto de fusión, baja

conductividad eléctrica y térmica, buena estabilidad química, resistencia a la

compresión. Entre los metales cerámicos puros destacan el óxido de aluminio, el nitruro

de silicio y el carburo de tungsteno.

Están formados por una combinación de fases cristalinas y/o vítreas se pueden presentar

en función de la aplicación como sólido denso, polvo fino, película, fibra, etc. Los hay

constituidos por una fase cristalina o una fase vítrea, denominándose monofásicos y

policristalino o monocristalino.

5.1 Clasificación de los cerámicos

La cerámicos tienen estructura reticular tiene menos electrones libres que la de los

metales, por lo que resultan menos elásticos y tenaces que éstos. Según su

microestructura, podemos clasificarlos en: cerámicos cristalinos, cerámicos no

cristalinos o vidrios y vitro cerámicos.

Cerámicos cristalinos: se obtienen a partir de sílice fundida. Tanto el proceso de fusión

como el de solidificación posterior son lentos, lo que permite a los átomos ordenarse en

cristales regulares. Presentan una gran resistencia mecánica y soportan altas

62

temperaturas, superiores a la de reblandecimiento de la mayoría de los vidrios

refractarios.

Cerámicos no cristalinos: se obtienen también a partir de sílice pero, en este caso, el

proceso de enfriamiento es rápido, lo que impide el proceso de cristalización. El sólido

es amorfo, ya que los átomos no se ordenan de ningún modo preestablecidos.

Vitro cerámicos: se fabrican a partir de silicatos de aluminio, litio y magnesio con un

proceso de enfriamiento también rápido. Químicamente son similares a los vidrios

convencionales, pero la mayor complejidad de sus moléculas determina la aparición de

microcristales que les confieren mayor resistencia mecánica y muy baja dilatación

térmica.

5.1.1 Cerámicos cristalinos y sus propiedades La mayoría de la cerámica cristalina avanzada se esta desarrollando en base al nitruro de

silicio, Si3N4; carburo del silicio, SiC; zirconia, ZrO2; o alúmina, Al2O3. Además,

materiales tales como diborato de titanio TiB2; nitruro de aluminio, AlN; oxinitrato de

aluminio de silicio, SiAlON; y algunos otros carburos y nitruros de cerámica se

clasifican a menudo como cerámicas avanzadas o de alta tecnología debido a los

métodos de procesado o usos. Los compuestos de matriz cerámica también están

aumentando sus aplicaciones como cerámica estructural avanzada. El nitruro de silicio,

el carburo del silicio, y las zirconias monolíticas representan una familia de materiales

más bien que un solo compuesto. Una amplia gama de microestructuras y las

características se puede adaptar dentro de cada familia, con modificaciones de las

composiciones o procesado, para optimizar el funcionamiento de los materiales para

usos específicos.

La cerámica cristalina posee una combinación de capacidades a alta temperatura, alta

fuerza, tolerancia a la dureza o a defecto, alta dureza, resistencia mecánica a las altas

temperaturas, resistencia al desgaste, resistencia a la corrosión, resistencia al choque

térmico, resistencia a la abrasión, y durabilidad a largo plazo. La cerámica de zirconia,

que se utiliza bajo condiciones de la alta tensión y temperaturas moderadamente altas

(hasta 600 ºC), tiene la fuerza más alta a baja temperatura. Aunque la dureza a baja

temperatura del nitruro de silicio es menor que para la zirconia, el nitruro de silicio

mantiene sus características hasta 1200 ºC. El carburo del silicio es algo más débil que el

63

nitruro de silicio sobre todo el rango de temperaturas, pero mantiene buena dureza y

resistencia a la abrasión a las temperaturas más altas (1500 ºC).

Estos materiales se caracterizan por las siguientes propiedades:

• Son muy duros y presentan una gran resistencia mecánica al rozamiento, al desgaste y

a la cizalladura.

• Son capaces de soportar altas temperaturas

• Tienen gran estabilidad química y son resistentes a la corrosión

• Poseen una amplia gama de cualidades eléctricas.

• Resistencia a la temperatura esta propiedad se fundamenta en tres características de los

materiales cerámicos: elevado punto de fusión, bajo coeficiente de dilatación y baja

conductividad térmica. Su elevado punto de fusión supera el de todos los metales, si

exceptuamos el volframio. Su bajo coeficiente de dilatación los hace particularmente

resistentes a los choques térmicos. Otros materiales, en esta circunstancia,

experimentan cambios de volumen que determinan la aparición de gritas y su

posterior rotura. Su baja conductividad térmica permite su empleo como aislantes.

• Su fragilidad es muy alta y las fracturas se propagan de manera irreversible.

• Resistencia a los agentes químicos: La estructura atómica de los materiales cerámicos

es la responsable de su gran estabilidad química, que se manifiesta en su resistencia a

la degradación ambiental y a los agentes químicos.

Los materiales cerámicos son materiales ligeros. Su densidad varía según el tipo de

cerámica y el grado de compacidad que presenten. Son mucho más duros que los

metales. A diferencia de éstos, se trata de materiales relativamente frágiles, ya que los

enlaces iónico-covalentes.

Para mejorar sus propiedades, se han desarrollado materiales híbridos o compositores.

Estos compuestos constan de una matriz de fibra de vidrio, de un polímero plástico o,

incluso, de fibras cerámicas inmersas en el material cerámico, con lo que se consigue

que el material posea elasticidad y tenacidad, y, por tanto, resistencia a la rotura.

Los materiales cerámicos también se utilizan en la fabricación de otros materiales

híbridos denominados cermet, abreviatura de la expresión inglesa ceramic metals,

compuestos principalmente de óxido de aluminio, dióxido de silicio y metales como el

cobalto, el cromo y el hierro. Para obtenerlos, se emplean dos técnicas: el sintetizado y

el fritado.

64

El sintetizado consiste en compactar los polvos metálicos cuando presentan dificultad

para ser aleados. El fritado consiste en someter el polvo metálico junto al material

cerámico a una compresión dentro de un horno eléctrico para obtener una aleación.

5.1.2 Cerámicos no cristalinos y sus propiedades

Dentro de los cerámicos no cristalinos se encuentra el vidrio el cual es una sustancia

amorfa fabricada sobre todo a partir de sílice (SiO2) fundida a altas temperaturas con

boratos o fosfatos. También se encuentra en la naturaleza, por ejemplo en la obsidiana,

un material volcánico, o en los enigmáticos objetos conocidos como tectitas. El vidrio es

una sustancia amorfa porque no es ni un sólido ni un líquido, sino que se halla en un

estado vítreo en el que las unidades moleculares, aunque están dispuestas de forma

desordenada, tienen suficiente cohesión para presentar rigidez mecánica. El vidrio se

enfría hasta solidificarse sin que se produzca cristalización; el calentamiento puede

devolverle su forma líquida. Suele ser transparente, pero también puede ser traslúcido u

opaco. Su color varía según los ingredientes empleados en su fabricación.

El vidrio se fabrica a partir de una mezcla compleja de compuestos vitrificantes, como

sílice, fundentes, como los álcalis, y estabilizantes, como la cal. Estas materias primas se

cargan en el horno de cubeta (de producción continua) por medio de una tolva. El horno

se calienta con quemadores de gas o petróleo. La llama debe alcanzar una temperatura

suficiente, y para ello el aire de combustión se calienta en unos recuperadores

construidos con ladrillos refractarios antes de que llegue a los quemadores. El horno

tiene dos recuperadores cuyas funciones cambian cada veinte minutos: uno se calienta

por contacto con los gases ardientes mientras el otro proporciona el calor acumulado al

aire de combustión. La mezcla se funde (zona de fusión) a unos 1.500 °C y avanza hacia

la zona de enfriamiento, donde tiene lugar el recocido. En el otro extremo del horno se

alcanza una temperatura de 1.200 a 800 °C. Al vidrio así obtenido se le da forma por

laminación (como en el esquema superior) o por otro método.

65

Las principales variedades de vidrio son las siguientes:

Vidrios Sodicos (Silicato de sodio y calcio): es el vidrio ordinario que se emplea para

elaborar vidrios planos, botellas, frascos y otros objetos varios. Tienen casi siempre un

ligero color verde debido al hierro de las materias primas. Resisten a la acción

disolvente del agua y los ácidos, tienen poco brillo. Las composiciones extremas de

estos vidrios son las siguientes: Vidrios Potasicos. (Silicato de potasio y calcio): se reemplaza, en el vidrio anterior, el

sodio por el potasio. Son más duros que los anteriores, muy brillantes, resisten mejor las

variaciones de temperatura y son muy resistentes a la acción del agua y de los ácidos.

Vidrios de óptica

Vidrios Plúmbicos. (Silicato de potasio y plomo): en este vidrio se ha reemplazado del

anterior el calcio por el plomo. Tienen peso específico elevado y poseen notable

esplendor, son muy transparentes, sonoros y refractan muy bien la luz. Dentro de estos

vidrios se encuentra el cristal, el flint-glass empleado en óptica y el strass que sirve para

elaborar piedras preciosas artificiales. La composición de algunos de estos vidrios es la

siguiente:

SiO2 ........................................................ 53 %

K2O ........................................................ 11 %

PbO ......................................................... 36%

Vidrios Dóricos: son vidrios en los que se ha reemplazado partes de sus componentes

por anhídrido bórico, dando vidrios duros, resistentes al calor, para laboratorios por su

SiO2 ........................................................ 75 %

K2O ........................................................ 18 %

CaO ......................................................... 17 %

SiO2 ........................................................ 68 - 75 % Na2O ........................................................ 11 – 18 % CaO ......................................................... 8 – 17 %

66

bajo coeficiente de dilatación y debido a su bajo contenido en metales alcalinos y

alcalino-térreos.

Vidrios de Cuarzo: son vidrios obtenidos fundiendo sílice o cuarzo purísimo (99,5 %

de SiO2) generalmente en hornos eléctricos de resistencia a unos 1800 °C.

El vidrio se caracteriza porque carece de punto de fusión determinado y desde su estado

líquido se vuelve cada vez más pastoso a medida que se enfría y el estado sólido lo

adquiere a gran diferencia de temperatura y sin cesar de mantenerse amorfo. Esto se

debe a la viscosidad del vidrio que aumenta rápidamente con el descenso de temperatura

e impide que las moléculas tomen la forma cristalina.

La viscosidad, propiedad tan importante del vidrio, permite elaborar productos soplados,

pero trae dificultades en la elaboración, al oponerse al desprendimiento de burbujas

gaseosas retenidas durante la fusión y exige una fluidificación final alrededor de

1400°C. Además, si se enfría muy rápidamente, se desarrollan en el vidrio tensiones

inertes (de temple) que lo hacen frágil.

Desde que vitrificación se refiere a la fusión incipiente de unas mezclas de sólidos

granulados, desvitrificación se refiere a la formación de cristales de un material en el

estado vidrioso. Los silicatos individuales difieren grandemente en la prontitud con que

ellos se desvitrifican, o sea, que pasan de un estado vidrioso al cristalino. El

metasilicanato de sodio puro (Na2O. SiO2) cristaliza muy rápidamente. Los vidrios

comerciales soda-cal-sílice (Na2O. 3CaO. 6SiO2) se pueden enfriar y no cristalizan el

vidrio industrial es esencialmente una solución compleja de compuestos y es como

cualquier otra mezcla de sales fundidas donde existe un equilibrio definido. Ella difiere

solamente en que cuando el vidrio fundido se enfría, se hace continuamente más viscoso

que las moléculas se mueven más o menos lentamente. El tiempo necesario para

alcanzar el equilibrio químico llega a ser aumentado grandemente a bajas temperaturas.

Debido a esta propiedad, los vidrios no tienen punto de fusión definido. Esta propiedad

hace posible trabajar el vidrio a la llama y también trabajarlo para industrializarlo. El

67

vidrio es mal conductor del calor y de electricidad. Un buen vidrio debe resistir a la

acción de los agentes atmosféricos, agua, CO2, ácidos y álcalis diluidos.

5.1.3 Vitrocerámicos y sus propiedades

Los materiales vitrocerámicos son materiales cristalinos derivados de los vidrios

amorfos por lo común los materiales vitrocerámicos tienen un nivel considerable de

cristalinidad. Con los materiales vitrocerámicos podemos aprovechar su

conformabilidad y su densidad. El primer paso para la producción de un material

vitrocerámico es asegurarse de que no ocurra cristalización durante el enfriamiento a

partir de la temperatura de conformado. Si el vidrio se enfría demasiado lento la

nucleación y el crecimiento de cristales se iniciara aun que de una forma no controlada.

La adición de óxidos modificadores evita la desvitrificación.

5.2 Otros cerámicos

Refractarios: son componentes importantes del equipo utilizado en la producción,

refinación y manejo de metales y vidrios. Los refractarios deben soportar altas

temperaturas sin corroerse o debilitarse por el entorno. Los refractarios típicos están

compuestos por diversas partículas gruesas de óxido aglutinadas con un material

refractario más fino. Este segundo material se funde al hornearse y proporciona la unión.

En algunos casos, los ladrillos refractarios contienen aprox. de 20 a 25% de porosidad

aparente, a fin de conseguir un mejor aislamiento térmico.

Los refractarios se dividen en tres grupos: ácidos, básicos y neutros con base en su

comportamiento químico.

Refractarios ácidos: incluyen las arcilla de sílice, de alúmina y refractarios de arcilla.

La sílice pura a veces se utiliza para contener metal derretido. Los refractarios de arcilla

por lo general son relativamente débiles, pero poco costosos. Contenidos de alúmina por

arriba de aprox. 50% constituyen los refractarios de alta alúmina.

Refractarios Básicos: varios refractarios se basan en el MgO (magnesia o periclasa). El

MgO puro tiene un punto de fusión alto, buena refractariedad buena resistencia al ataque

68

por los entornos que a menudo se encuentran en los procesos de fabricación de acero.

Típicamente, los refractarios básicos son más costosos que los refractarios ácidos.

Refractarios Neutros: normalmente incluyen la cromatina y la magnesita, pueden ser

utilizados para separar refractarios ácidos de los básicos, impidiendo que uno ataque al

otro.

Refractarios Especiales: el carbono, el grafito, es utilizado en muchas aplicaciones

refractarias, particularmente cuando no hay oxígeno fácilmente disponible. Estos

materiales refractarios incluyen la circonia (ZrO2), el circón (ZrO2.SiO2) y una

diversidad de nitruros, carburos y boruros.

Cementos: en un proceso conocido como cementación, las materias primas cerámicas se

unen utilizando un aglutinante que no requiere horneado o sinterizado. Una reacción

química convierte una resina líquida en un sólido que une las partículas. En el caso del

silicato de sodio, la introducción de gas CO2 actúa como catalizador para deshidratar la

solución de silicato de sodio y convertirla en un material vítreo.

La reacción de cementación más común e importante ocurre en el cemento Pórtland,

utilizado para producir el concreto.

Recubrimientos: con frecuencia los productos cerámicos se utilizan como

recubrimientos protectores de otros materiales. Los recubrimientos comerciales comunes

incluyen los vidriados y los esmaltados. Los vidriados se aplican sobre la superficie de

un material cerámico para sellar un cuerpo de arcilla permeable, para dar protección y

decorar, o para fines especiales. Los esmaltados se aplican sobre superficies metálicas.

Los esmaltados y vidriados son productos de arcilla que se vitrifican fácilmente durante

el horneado.

Mediante la adición de otros minerales se pueden producir en los vidriados y esmaltados

colores especiales.

Uno de los problemas que tienen los vidriados y los esmaltados son las grietas o

cuarteaduras superficiales que ocurren cuando el vidriado tiene un coeficiente de

expansión térmica distinto al del material subyacente.

69

Para materiales cerámicos avanzados y para materiales de operación a alta temperatura

se utilizan recubrimientos de SiC para mejorar su resistencia a la oxidación. A las

superaleaciones base níquel se les puede aplicar recubrimientos de circonia, como

barreras térmicas que protegen al metal contra la fusión o contra reacciones adversas.

Fibras: a partir de materiales cerámicos se producen fibras para diversos usos como

esfuerzo de materiales compuestos, para ser tejidas en telas o para uso en sistemas de

fibras ópticas. Las fibras de vidrio de borosilicato, las más comunes, proporcionan

resistencia y rigidez a la fibra de vidrio. También se pueden producir fibras con una

diversidad de materiales cerámicos, incluyendo alúmina, carburo de silicio y carburo de

boro.

5.3 Aplicaciones

Los cerámicos avanzados incluyen los carburos, los boruros, los nitruros y los óxidos.

Generalmente estos materiales se seleccionan tanto por sus propiedades mecánicas como

físicas a altas temperaturas.

Un extenso grupo de cerámicos avanzados se usa en aplicaciones no estructurales,

aprovechando sus únicas propiedades magnéticas, electrónicas y ópticas, su buena

resistencia a la corrosión a alta temperatura, su capacidad de servir como sensores en la

detección de gases peligrosos y por ser adecuados para dispositivos de prótesis y otros

“componentes de repuesto para el ser humano”.

La Alúmina (Al2O3) : Se utiliza para contener metal fundido o para operar a alta

temperatura donde se requiere buena resistencia.

El Nitruro De Aluminio (AIN) : proporciona un buen aislante eléctrico, pero tiene alta

conductividad térmica. Dado que su coeficiente de expansión térmica es similar al del

silicio, el AIN es un sustituto adecuado del Al2O3 como material de sustrato para

circuitos integrados.

El Carburo De Boro (B4C): es muy duro y aún así extraordinariamente ligero. Además

de su utilización como blindaje nuclear, encuentra uso en aplicaciones que requieren

excelente resistencia a la abrasión, como parte en placas blindadas.

70

El Carburo De Silicio (SiC): tiene una resistencia a la oxidación extraordinaria a

temperatura incluso por encima del punto de fusión del acero. A menudo el SiC se

utiliza como recubrimiento para metales, para compuestos de carbono y otros cerámicos

a temperaturas extremas.

El Nitruro De Silicio (Si3N4): son candidatos para componentes de motores

automotrices y de turbina de gas, permitiendo temperaturas de operación más elevadas y

mejores eficiencias de combustible, con menor peso que los metales y aleaciones

tradicionales.

El Sialón: se forma cuando el aluminio y el oxígeno reemplazan parcialmente al silicio

y al nitrógeno en el nitruro de silicio. Es relativamente ligero, con un coeficiente de

expansión térmica bajo, buena tenacidad a la fractura, y una resistencia superior a la de

muchos de los demás cerámicos avanzados comunes. El sialón puede encintrar

aplicaciones en componentes para motor y otras aplicaciones, que a su vez involucran

altas temperaturas y condiciones severas de desgaste.

El Boruro De Titanio (TiB 2): es un buen conductor de la electricidad y del calor.

Además tiene excelente tenacidad. El TiB2, junto con el carburo de silicio y la alúmina,

son aplicaciones en la producción de blindajes.

La Urania (UO2): utilizado como combustible de reactores nucleares.

71

CAPÍTULO 6

METALES

Los metales se diferencian del resto de elementos, fundamentalmente en el tipo de

enlace que constituyen sus átomos. Se trata de un enlace metálico y en él los electrones

forman una nube que se mueve, rodeando todos los núcleos. Este tipo de enlace es el que

les confiere las propiedades de condición eléctrica, brillo etc.

En estado sólido los metales tienen estructura cristalina (los átomos están situados en los

nudos de una red regular y definida) Los metales son isotrópicos (tienen iguales

propiedades en todas las direcciones)

La mayoría de los metales no se emplea en estado puro sino en aleaciones; es decir,

formando una mezcla homogénea con otros metales o no metales, obtenida a partir de la

fusión de ambos.

De entre todos los metales sobresalen el hierro y sus aleaciones porque suponen el 90 %

de la producción mundial de metales. Esto es consecuencia de las ventajas que tiene el

hierro para la industria: es abundante, es barato y mejora sus propiedades al formar

aleaciones. Por esta razón clasificaremos los metales en:

• Metales ferrosos: corresponde al grupo de aleaciones cuyo componente principal

es el hierro.

• Metales no ferrosos: son los metales puros y las aleaciones de metales que no

tienen hierro en su composición.

6.1 Metales no ferrosos

Son los metales que no contienen hierro, estos en diferentes aleaciones cubren los

requerimientos de ingeniería y las propiedades químicas necesarias para fabricar

artículos útiles para la industria y la sociedad. Las características fundamentales de las

72

aleaciones no ferrosas son la resistencia a la tensión, corrosión, conductividad eléctrica y

su fácil maquinado. A continuación se muestran algunas de las propiedades de los metales. En la tabla se

aprecian algunas de las principales diferencias entre metales ferrosos y los que no lo son.

Metal Resistencia a la tensión

Temperatura de fusión mPa

Dureza Brinell °C

Densidad en kg/m3

Aluminio 83-310 660 30-100 2,643

Latón 120-180 870 40-80 8,570

Bronce 130-200 1040 70-130 8,314

Cobre 345-689 1080 50-100 8,906

Hierro 276-345 1360 100-145 7,689

Fundición gris

110-207 1370 100-150 7,209

Acero 276-2070 1425 110-500 7,769

Plomo 18-23 325 3.2-4.5 11,309

Magnesio 83-345 650 30-60 1,746

Níquel 414-1103 1450 90-250 8,730

Zinc 48-90 785 80-100 7,144

Estaño 19-25 390 5-12 7,208

Titanio 552-1034 1800 158-266 4,517

Tabla 6. Características de algunos metales

La mayoría de los metales no ferrosos son más resistentes a la corrosión o a la humedad,

pueden utilizarse en exteriores sin pinturas o recubrimientos. Sin embargo se debe tener

especial cuidado con el manejo de los metales no ferrosos ya que cada uno responde de

manera particular a los efectos de la naturaleza; por ejemplo el magnesio resiste muy

bien la atmósfera ordinaria, pero se corroe rápidamente con el agua de mar.

Para la producción de los metales no ferrosos se establecen como base los siguientes

procesos.

73

1. Extracción

2. Refinado o concentrado

3. Fusión

4. Afinado

Cada uno de estos procesos se da de diferentes maneras en la producción de los metales

no ferrosos, incluso en la producción algunos no se dan todos.

Extracción. Los metales no ferrosos provienen de minerales que se pueden encontrar en

la superficie de la tierra o bien en yacimientos bajo la superficie. En ambos casos se

deben seguir técnicas de explotación eficiente y rentable.

Refinado o concentrado, también conocido como preparación. Los minerales de los que

se obtienen los metales no ferrosos nunca se encuentran en estado puro y en cantidades

comerciales, por lo que se deben separar y preparar. Entre los procesos de preparación

más utilizados está el pulverizar al mineral y luego mezclarlo con agua y un aceite, para

que al aplicar una acción violenta se forme espuma en la que los elementos metálicos

quedan suspendidos. Posteriormente se retira la espuma y con ella los minerales

necesarios para la producción de los metales no ferrosos.

Fusión. Los hornos más utilizados para la fusión de los minerales de metales no ferrosos

son los altos hornos (de menor tamaño que los de arrabio) y los hornos de reverbero

(aquellos en los que la flama ilumina a la carga). Aunque no todos los metales no

ferrosos necesitan ser fundidos primero para ser procesados.

En los hornos para la producción de los metales no ferrosos siempre existen equipos

para el control de las emisiones de polvo. Más que una medida de control de la

contaminación ambiental es una necesidad, ya que los polvos son valiosos porque tienen

el mineral que se está procesando o porque de esos polvos se pueden obtener otros

materiales con un valor representativo o rentable.

Afinado. Para lograr las características de calidad y pureza necesarias en los metales no

ferrosos se pueden utilizar diferentes procesos como las tinas electrolíticas con las que el

mineral adquiere niveles de calidad muy altos.

74

Los metales no ferrosos se clasifican en tres grupos:

• Pesados: son aquellos cuya densidad es igual o mayor de 5 kg/dm³,

• Ligeros: su densidad está comprendida entre 2 y 5 kg/dm³.

• Ultraligeros: su densidad es menor de 2 kg/dm³.

6.1.1 Metales no ferrosos pesados

Estaño (Sn): es un metal plateado, maleable, que no se oxida fácilmente y es resistente

a la corrosión. Se encuentra en muchas aleaciones y se usa para recubrir otros metales

protegiéndolos de la corrosión. Una de sus características más llamativas es que bajo

determinadas condiciones forma la peste del estaño. Al doblar una barra de este metal se

produce un sonido característico llamado grito del estaño, producido por la fricción de

los cristales que la componen.

El estaño puro tiene dos variantes alotrópicas: El estaño gris, polvo no metálico,

semiconductor, de estructura cúbica y estable a temperaturas inferiores a 13,2 ºC, que es

muy frágil y tiene un peso específico más bajo que el blanco. El estaño blanco, el

normal, metálico, conductor eléctrico, de estructura tetragonal y estable a temperaturas

por encima de 13,2 ºC.

El estaño es un elemento químico de símbolo Sn, que pertenece al grupo IV de la tabla

periódica. Su número atómico es 50 y su peso atómico 118,69. Funde a 231.88 C es

altamente fluido en estado fundido lo que facilita su uso como revestimiento de otros

metales. Reacciona con ácidos y bases fuertes, pero es relativamente inerte frente a

soluciones neutras.

Del estaño se obtienen con facilidad fases intermetálicas (aleaciones de dos o más

metales) duras y frágiles. Pequeñas aplicaciones de trabajado mecánico aumentan la

dureza. Sin embargo, como consecuencia de la baja temperatura de recristalización, la

mayoría de las aleaciones de estaño se ablandan espontáneamente a la temperatura

ambiente.

Los elementos de aleación como el cobre, el antimonio, el bismuto, el cadmio o la plata

aumentan su dureza. Las aleaciones más utilizadas son las soldaduras blandas, que se

75

emplean para cierres y juntas de metales; el material de aportación es una aleación de

estaño y cobre. El material de aportación para usos especiales se contribuye de

aleaciones de estaño, antimonio, plata, indio, y zinc. La combinación de bismuto y

cadmio con estaño y plomo produce aleaciones con bajo punto de fusión, que se

emplean como fusibles para extintores de fuego, tapones de calderas, etc. Las aleaciones

de cobre y estaño reciben el nombre genérico de bronces y pueden llevar o no elementos

de modificación como zinc, plomo o manganeso.

El estaño se emplea por su ductilidad, suavidad de superficie, resistencia a la corrosión y

cualidades higiénicas principalmente en chapas, tubos, alambres y tubos plegables.

También se puede utilizar como revestimiento de acero y cobre. La banda de acero

revestida de estaño denominada hojalata constituye uno de los materiales empleados con

mayor profusión en la industria conservera. Para su fabricación, el revestimiento de

estaño se puede aplicar por inmersión en cubetas de metal fundido o por electroposición.

Sistema de producción por electroposición: este procedimiento consiste en depositar

un metal sobre el polo negativo o cátodo de una solución de sus iones y permite obtener

recubrimientos de muy bajo espesor. Algunos compuestos del estaño, tanto inorgánicos

como orgánicos, han encontrado aplicación en el campo de la cerámica (vidriados

especiales) y en el tratamiento e investigación de materiales plásticos. Infortunadamente,

el estaño, rara vez se encuentran en estado puro y en cantidades comerciales. En virtud

de que deben ser separados de la ganga antes de que el mineral se pueda reducir se

efectuará un proceso conocido como preparación del mineral. Uno de los métodos para

concentrar o "preparar el mineral" es familiar a quienes han lavado oro. En virtud de que

los metales y los compuestos metálicos son más pesados que la ganga, se depositarán en

el fondo con más rapidez, si dicha mezcla se agita en el agua. Se han desarrollado

métodos especiales para acelerar la acumulación de compuestos metálicos utilizando

este principio.

En otro método de "preparación del mineral", el mineral y la ganga se pulverizan

finamente y se mezcla con agua. Se añade una cierta cantidad de aceite específico y se

induce un mezclado violento. Aparece una acción espumante y los compuestos

metálicos quedan suspendidos en la espuma de donde son extraídos para ser procesados.

76

Las aleaciones más importantes son el bronce (cobre + estaño) y las soldaduras blandas

(plomo + estaño con proporciones de este entre el 25% y el 90%) y sus Aplicaciones

más importantes son la fabricación de hojalata y proteger al acero contra la oxidación

Cobre (Cu): el cobre, de símbolo Cu de número atómico 29, su densidad es de 8,9

kg/dm³; su punto de fusión de 1083ºC; su resistencia a la tracción es de 18 kg/mm²; es

muy dúctil, maleable, y posee una alta conductividad eléctrica y térmica.

Es un metal de transición de color rojizo y brillo metálico que, junto con la plata y el

oro, forma parte de la llamada familia del cobre, caracterizada por ser los mejores

conductores de electricidad. Gracias a su alta conductividad eléctrica, ductilidad y

maleabilidad, se ha convertido en el material más utilizado para fabricar cables

eléctricos y otros componentes eléctricos y electrónicos.

El cobre forma parte de una cantidad muy elevada de aleaciones que generalmente

presentan mejores propiedades mecánicas, aunque tienen una conductividad eléctrica

menor. Las más importantes son conocidas con el nombre de bronces y latones. Por otra

parte, el cobre es un metal duradero porque se puede reciclar un número casi ilimitado

de veces sin que pierda sus propiedades mecánicas.

Desde el punto de vista físico, el cobre puro posee muy bajo límite elástico (33 MPa) y

una dureza escasa (3 en la escala de Mohs ó 50 en la escala de Vickers) En cambio,

unido en aleación con otros elementos adquiere características mecánicas muy

superiores, aunque disminuye su conductividad. Existe una amplia variedad de

aleaciones de cobre, de cuyas composiciones dependen las características técnicas que se

obtienen, por lo que se utilizan en multitud de objetos con aplicaciones técnicas muy

diversas. El cobre se alea principalmente con los siguientes elementos: Zn, Sn, Al, Ni,

Be, Si, Cd, Cr y otros en menor cuantía. En la siguiente tabla se muestra las principales

aleaciones y aplicaciones del cobre.

77

Tabla 7. Aplicaciones y aleaciones de cobre

El cobre se obtiene fundamentalmente de un mineral llamado calcopirita el que contiene

grandes cantidades de cobre, azufre y fierro.

1. La calcopirita es mezclada con cal y materiales silicos, los que son pulverizados

por medio de molinos de quijadas y transferidos a unas tinas estratificadoras.

2. En las tinas estratificadoras el mineral es extraído al flotar con la espuma producto

de la agitación. La espuma se forma al mezclar agua con aceite y agitarlos

enérgicamente.

ALEACION TIPOS/COMPOSICION APLICACIONES

BRONCE( Cu + Sn)

Ordinario: Cu + Sn (5 a

30%)

Campanas y engranajes,

esculturas y cables

eléctricos

LATON(Cu + Zn) Ordinario: Cu + Zn (30 a

55%)

Tortillería, grifos, tuerca

y tornillos

CUPROALUMINIO Cu + Al Hélices de barco,

turbinas

ALPACA Cu + Ni + Zn. Tiene

color plateado

Joyería barata, cubiertos

CUPRONIQUEL Cu + Ni (40 a 50%) Monedas y contactos

eléctricos

COBRE CADMIO

Cu+Cd Líneas eléctricas,

catenarias y cables de

contacto para tranvías.

COBRE CROMO

CIRCONIO

Cu-Cr-Zr Electrodos de barras de

colectores, contactores de

potencia, equipos

siderúrgicos y resortes

conductores

COBRE HIERRO

FOSFORO

Cu-Fe-P Circuitos integrados

78

3. El mineral extraído se pasa por un horno de tostado para eliminar el azufre. Los

polvos de los gases producto del horno de tostado son capturados y procesados

para obtener plata, antimonio y sulfuros.

4. Los concentrados del horno de tostado son derretidos en un horno de reverbero, en

este horno se elimina el hierro en forma de escoria.

5. El material derretido del horno de reverbero, que se conoce como ganga, es

introducido a un horno parecido al convertidos Bessemer, del cual sus gases son

utilizados para obtener ácido sulfúrico y el producto de su vaciado es cobre

conocido como cobre Blister, el que tiene 98% de pureza y que puede ser refinado

todavía más por métodos electrolíticos.

Zinc (Zn): características: se extrae de la blenda y la calamina; su densidad es 7,14

kg/dm³, su punto de fusión es de 785ºC; su resistencia a la tracción es en las piezas

moldeadas de 3 kg/mm², y en las piezas forjadas de 20 kg/mm²; es muy resistente a la

oxidación y corrosión en el aire y en el agua, pero poco resistente al ataque de ácidos y

sales; tiene el mayor coeficiente de dilatación térmica de todos los metales; a

temperatura ambiente es muy quebradizo, pero entre 100 y 150ºC es muy maleable.

El zinc es un metal, a veces clasificado como metal de transición aunque estrictamente

no lo sea, ya que tanto el metal como su especie presentan el conjunto orbital d

completo. Este elemento presenta cierto parecido con el magnesio, y con el cadmio de su

grupo, pero del mercurio se aparta mucho por las singulares propiedades físicas y

químicas de éste (contracción lantánida y potentes efectos relativistas sobre orbitales de

enlace). Es el 23 elemento más abundante en la Tierra y una de sus aplicaciones más

importantes es el galvanizado del acero. Hay que destacar que es un elemento químico

esencial.

Es un metal de color blanco azulado que arde en aire con llama verde azulada. El aire

seco no le ataca pero en presencia de humedad se forma una capa superficial de óxido o

carbonato básico que aísla al metal y lo protege de la corrosión. Prácticamente el único

estado de oxidación que presenta es el +2.

79

La principal materia prima de la fábrica de zinc está constituida por concentrados de

sulfuro de zinc, procedentes de diferentes minas. Además de los concentrados sulfurados

de zinc, se recibe la calcine

Tostación y depuración de gases: la tostación del concentrado se realiza en tres hornos,

del tipo denominado de lecho fluido, cuyas capacidades de tostación son 300, 400, y 850

toneladas diarias de concentrados.

En esta fase, el concentrado se tuesta con aire, formándose óxido de zinc (ZnO),

denominado calcine, y dióxido de azufre gaseoso (SO2), que posteriormente se

transforma en ácido sulfúrico (H2SO4) una vez enfriado y purificado el gas que sale de

los hornos de tostación. Asimismo se origina vapor de agua que se emplea para la

autogeneración de energía eléctrica así como fuente de calor en las etapas de lixiviación

y purificación. Las diversas fracciones de calcine, tras ser refrigeradas y, en su caso,

molidas, se transportan a unos silos de almacenamiento.

El gas exento de calcine es tratado en torres de lavado para eliminar los componentes

que puedan interferir en la producción de ácido sulfúrico. Igualmente se elimina el agua

que pudiera ser arrastrada con la corriente gaseosa en los denominados precipitadores

electrostáticos de gas de húmedo. Seguidamente el gas se envía a las plantas de ácido

sulfúrico.

Plantas de ácido sulfúrico: el SO2 contenido en la corriente de gas impuro procedente

del horno de tostación, se transforma en primer lugar en trióxido de azufre, debido a la

reacción con el oxígeno en la torre de catálisis. Posteriormente, en la denominada torre

de absorción intermedia, el trióxido de azufre resultante se absorbe en ácido sulfúrico

del 99% de concentración, transformándose en ácido sulfúrico concentrado apto para

uso en todo tipo de industrias, ya que las instalaciones están dotadas de un sistema de

depuración de gases que permite la eliminación del mercurio, con carácter previo a su

entrada en la planta de ácido.

Lixiviación: el zinc y los otros metales contenidos en la calcine se disuelven en ácido

sulfúrico diluido, en dos etapas de lixiviación: lixiviación neutra y lixiviación ácida.

80

En la etapa de lixiviación neutra se disuelve la mayor parte de la calcine, excepto las

ferritas de zinc (óxido de hierro y zinc) en ella contenidas. Mediante la utilización de

espesadores se separan los sólidos no disueltos de la disolución de sulfato de zinc. La

disolución clarificada se envía a la etapa de purificación, mientras que los sólidos no

disueltos se someten a la etapa de lixiviación ácida.

La lixiviación ácida se realiza a una temperatura próxima a la de ebullición. De esta

forma, se disuelven todos los metales excepto los que forman compuestos insolubles en

medio sulfúrico, como el plomo, calcio y sílice. La disolución así obtenida se somete a

un proceso de hidrólisis, tras el que se forma un sulfato básico de hierro insoluble

llamado jarosita, que en unión de los metales no disueltos en esta segunda etapa

constituyen el residuo final del proceso. Este residuo, después de una decantación en

espesadores y posterior filtración, es enviado por bombeo a la balsa de residuos.

Purificación La disolución de sulfato de zinc procedentes de la etapa de lixiviación

neutra se trata mediante un proceso continuo realizado en dos etapas, para eliminar otros

metales disueltos, como el cobre, el cadmio o el cobalto, que se recuperan como

subproductos. Una vez realizada la filtración, la disolución de sulfato de zinc se enfría

mediante torres de refrigeración y se bombea al tanque de almacenamiento de

electrolito.

Electrólisis: en esta fase del proceso, se produce el paso de una corriente eléctrica a

través de la disolución purificada de sulfato de zinc, originándose el zinc metálico puro,

que se deposita sobre laminas de zinc resultantes se arrancan automáticamente y son

transportadas para su fusión y colado.

Fusión y colada: Las láminas de zinc producidas por electrólisis son fundidas en

hornos de inducción eléctrica. Una vez fundido el zinc, se envía a las maquinas de

colada con el objeto de producir las diversas formas comerciales de lingote que requiere

el mercado.

En el mismo departamento existen varios hornos en los que el zinc se combina con otros

metales para producir aleaciones para fundición a presión, colada por gravedad,

galvanización, laminación y otros. Los distintos lingotes que se producen, tanto de zinc

como de las distintas aleaciones, se apilan, pesan y empaquetan de forma automática.

81

Todos los hornos se encuentran conectados a un sistema de depuración de gases para

eliminar el polvo que éstos contienen antes de emitirse a la atmósfera.

Su actividad consiste en la tostación de concentrados de zinc (sulfuro de zinc),

obteniendo como productos finales óxido de zinc (calcine) y anhídrido sulfuroso líquido. En la siguiente tabla se muestra algunas aleaciones de zinc y sus aplicaciones.

Tabla 8. Aplicaciones y aleaciones de zinc

Plomo (Pb): características: se obtiene de la galena, su densidad es 11,34 kg/dm³; su

punto de fusión 325ºC; su resistencia a la tracción de 2 kg/mm²; es muy maleable y

blando; es de color grisáceo-blanco muy brillante recién cortado, se oxida fácilmente,

formando una capa de carbonato básico que lo protege; resiste a los ácidos clorhídrico y

sulfúrico, pero es atacado por el ácido nítrico y el vapor de azufre.

ALEACION TIPOS/COMPOSICION APLICACIONES

LATONES: Cu + Zn Ordinario: Cu + Zn (30 a

55%)

Tortillería, grifos, tuerca

y tornillos

ESTADO PURO

Zn Chapas de diferentes

espesores, Recubrimiento

de tejados, canalones y

cornisas, tubos de bajada

de agua y depósitos y

recubrimiento de pilas,

recubrimiento de piezas

como galvanizado

OXIDOS DE ZINC

Zn+O

Bronceadores,

desodorantes colorantes,

pegamentos y

conservadores

ALPACA Cu + Ni + Zn. Tiene

color plateado

Joyería barata, cubiertos

82

Los compuestos de plomo más utilizados en la industria son los óxidos de plomo, el

tetraetilo de plomo y los silicatos de plomo. El plomo forma aleaciones con muchos

metales, y, en general, se emplea en esta forma en la mayor parte de sus aplicaciones.

Todas las aleaciones formadas con estaño, cobre, arsénico, antimonio, bismuto, cloro,

cloroformo, ésteres, cadmio y sodio tienen importancia industrial. Es tóxico y ha

producido envenenamiento de trabajadores por su uso inadecuado y mala manipulación,

y por una exposición excesiva a los mismos, debida a una incompetencia importante por

parte de trabajadores y empleadores.

El plomo rara vez se encuentra en su estado elemental. Se presenta comúnmente como

sulfuro de plomo en la galena; los otros minerales de importancia comercial son los

carbonatos (cerusita); los sulfatos (anglesita) y los fosfatos (piromorfita) son muchísimo

más raros. También se encuentra plomo en varios minerales de uranio y de torio, ya que

proviene directamente de la desintegración radiactiva (decaimiento radiactivo). Los

minerales comerciales pueden contener tan poco plomo como el 3%, pero lo más común

es un contenido de poco más o menos del 10%. Los minerales se concentran hasta

alcanzar un contenido de plomo de 40% o más antes de fundirse o ceder ante la

presencia de fuentes de calor extremo.

El concentrado de plomo o galena contiene 65 a 68 % de plomo.

1. La galena es pasada por un horno de tostado para eliminar en lo posible la gran

cantidad de azufre que contiene este material. Los gases del horno son procesados

para obtener ácido sulfúrico y el material desufurizado pasa a un mezclador.

2. El concentrado producto del horno de tostado es mezclado con caliza, arena,

escoria y mena de hierro, la que es pasada a un horno de sinterizado.

3. El material aglomerado por el horno de sinterizado se pasa a un alto horno del

cual se obtiene cadmio al procesar sus gases y su producto es transferido a un

tanque espumador.

4. En el tanque la espuma es recogida y enviada a una marmita a la que se le agrega

azufre y con ello se obtiene cobre.

5. El sedimento del tanque espumador pasa a un horno de oxidación, también

conocido como horno ablandador. La escoria de este horno contiene antimonio y

arsénico. El plomo derretido se pasa a una marmita de vacío.

83

6. En la marmita de vacío se agrega zinc con el que el oro y la plata se disuelven, las

aleaciones de oro y plata en la marmita flotan y se desnatan para ser pasadas a un

horno de retorta del cual se recupera el zinc por medio de un condensador y el oro

y la plata por medio de un baño electrolítico.

7. El plomo derretido pasa a la cámara de vacío luego derramado en una marmita a

la que se agrega sosa cáustica de la cual se obtiene el plomo de gran calidad.

El plomo se emplea en grandes cantidades en la fabricación de baterías y en el

revestimiento de cables eléctricos. También se utiliza industrialmente en las redes de

tuberías, tanques y aparatos de rayos X. Debido a su elevada densidad y propiedades

nucleares, se usa como blindaje protector de materiales radiactivos. Entre las numerosas

aleaciones de plomo se encuentran las soldaduras, el metal tipográfico y diversos

cojinetes metálicos. Una gran parte del plomo se emplea en forma de compuestos, sobre

todo en pinturas y pigmentos.

Cromo (Cr): características: su densidad es de 6,8 kg/dm³; su punto de fusión es de

1900ºC; tiene un color grisáceo acerado, muy duro y con una gran acritud, resiste muy

bien la oxidación y la corrosión. Se obtiene cromo a partir de la cromita (FeCr2O4). El

cromo se obtiene comercialmente calentando la cromita en presencia de aluminio o

silicio (mediante un proceso de reducción).

El cromo se utiliza principalmente en metalurgia para aportar resistencia a la corrosión y

un acabado brillante.

o En aleaciones, por ejemplo, el acero inoxidable es aquel que contiene más

de un 12% en cromo, aunque las propiedades antioxidantes del cromo

empiezan a notarse a partir del 5% de concentración.

o En procesos de cromado (depositar una capa protectora mediante

electrodeposición). También se utiliza en el anodizado del aluminio.

o En pinturas cromadas como tratamiento antioxidante

Sus cromatos y óxidos se emplean en colorantes y pinturas. En general, sus sales se

emplean, debido a sus variados colores, como mordientes.

84

El dicromato de potasio (K2Cr2O7) es un reactivo químico que se emplea en la limpieza

de material de vidrio de laboratorio y, en análisis volumétricos.

Es común el uso del cromo y de alguno de sus óxidos como catalizadores, por ejemplo,

en la síntesis de amoníaco (NH3).

El mineral cromita (Cr2O3·FeO) se emplea en moldes para la fabricación de ladrillos (en

general, para fabricar materiales refractarios). Con todo, una buena parte de la cromita

consumida se emplea para obtener cromo o en aleaciones.

En el curtido del cuero es frecuente emplear el denominado "curtido al cromo" en el que

se emplea hidroxisulfato de cromo (III) (Cr (OH) (SO4)).

Para preservar la madera se suelen utilizar sustancias químicas que se fijan a la madera

protegiéndola. Entre estas sustancias se emplea óxido de cromo (VI) (CrO3).

Cuando en el corindón (α-Al2O3) se sustituyen algunos iones de aluminio por iones de

cromo se obtiene el rubí; esta gema se puede emplear, por ejemplo, en láseres.

El dióxido de cromo (CrO2) se emplea para fabricar las cintas magnéticas empleadas en

las casetes, dando mejores resultados que con óxido de hierro (Fe2O3) debido a que

presentan una mayor coercitividad.

Níquel (Ni): su densidad es 8,85 kg/dm³; su punto de fusión es de 1450ºC; tiene un

color plateado brillante y se puede pulir fácilmente, es magnético, es muy resistente a la

oxidación y a la corrosión.

El níquel aparece en forma de metal en los meteoritos. También se encuentra, en

combinación con otros elementos, en minerales como la garnierita, milerita, niquelita,

pentlandita y pirrotina, siendo estos dos últimos las principales menas del níquel. Ocupa

el lugar 22 en abundancia entre los elementos de la corteza terrestre.

Las menas de níquel contienen generalmente impurezas, sobre todo de cobre. Las menas

de sulfuros, como las de pentlandita y pirrotina niquelífera se suelen fundir en altos

hornos y se envían en forma de matas de sulfuro de cobre y níquel a las refinerías, en

donde se extrae el níquel mediante procesos diversos. En el proceso electrolítico, el

85

níquel se deposita en forma de metal puro, una vez que el cobre ha sido extraído por

deposición a un voltaje distinto y con un electrólito diferente. En el proceso de Mond, el

cobre se extrae por disolución en ácido sulfúrico diluido, y el residuo de níquel se reduce

a níquel metálico impuro. Al hacer pasar monóxido de carbono por el níquel impuro se

forma carbonilo de níquel (Ni(CO)4), un gas volátil. Este gas, calentado a 200 °C, se

descompone, depositándose el níquel metálico puro.

Aproximadamente el 65% del níquel consumido se emplea en la fabricación de acero

inoxidable austenítico y otro 12% en superaleaciones de níquel. El restante 23% se

reparte entre otras aleaciones, baterías recargables, catálisis, acuñación de moneda,

recubrimientos metálicos y fundición:

• Alnico, aleación para imanes.

• El mu-metal se usa para apantallar campos magnéticos por su elevada

permeabilidad magnética.

• Las aleaciones níquel-cobre (monel) son muy resistentes a la corrosión,

utilizándose en motores marinos e industria química.

• La aleación níquel-titanio (nitinol-55) presenta el fenómeno de efecto térmico de

memoria (metales) y se usa en robótica, también existen aleaciones que presentan

superplasticidad.

• Crisoles de laboratorios químicos.

• Níquel Raney: catalizador de la hidrogenación de aceites vegetales.

• Se emplea para la acuñación de monedas, a veces puro y, más a menudo, en

aleaciones como el cuproníquel

Wolframio (W): características: su densidad es 19 kg/dm³; su punto de fusión de

3370ºC.

Metal escaso en la corteza terrestre, se encuentra en forma de óxido y de sales en ciertos

minerales. De color gris acerado, muy duro y denso, tiene el punto de fusión más

elevado de todos los metales y el punto de ebullición más alto de todos los elementos

conocidos. Se usa en los filamentos de las lámparas incandescentes, en electrodos no

consumibles de soldaduras, en resistencias eléctricas y aleadas con el acero, en la

fabricación de aceros especiales. Su variedad de carburo de Tungsteno sinterizado se

86

emplea para fabricar herramientas de corte. Esta variedad absorbe más del 60% de la

demanda mundial de Wolframio.

Para extraer el elemento de su mena, se funde ésta con carbonato de sodio obteniéndose

volframato de sodio, Na2WO4. El volframato de sodio soluble se extrae después con

agua caliente y se trata con ácido clorhídrico para conseguir ácido volfrámico, H2WO4.

Este último compuesto, una vez lavado y secado, forma el óxido WO3, que se reduce

con hidrógeno en un horno eléctrico. El fino polvo obtenido se recalienta en moldes en

una atmósfera de hidrógeno, y se prensa en forma de barras que se enrollan y martillean

a alta temperatura para hacerlas compactas y dúctiles

Cobalto (Co): características: su densidad es de 8,6 kg/dm³, su punto de fusión 1490ºC;

tiene propiedades análogas al níquel pero no es magnético. El cobalto es un metal duro,

ferromagnético, de color blanco azulado. Normalmente se encuentra junto con níquel, y

ambos suelen formar parte de los meteoritos de hierro. Es un elemento químico esencial

para los mamíferos en pequeñas cantidades. El Co-60, un radioisótopo de cobalto, es un

importante trazador y agente en el tratamiento del cáncer.

Algunas de sus aplicaciones principales son las siguientes:

• Aleaciones entre las que cabe señalar superaleaciones usadas en turbinas de gas de

aviación, aleaciones resistentes a la corrosión, aceros rápidos, y carburos

cementados y herramientas de diamante. Herramientas de corte en procesos de

fabricación para fresadoras.

• Imanes (Alnico) y cintas magnéticas.

• Catálisis del petróleo e industria química.

• Recubrimientos metálicos por deposición electrolítica por su aspecto, dureza y

resistencia a la oxidación.

• Secante para pinturas, barnices y tintas.

• Recubrimiento base de esmaltes vitrificados.

• Pigmentos (cobalto azul y cobalto verde).

• Electrodos de baterías eléctricas

• Cables de acero de neumáticos.

• El Co-60 se usa como fuente de radiación gamma en radioterapia, esterilización

de alimentos (pasteurización fría) y radiografía industrial para el control de

calidad de metales (detección de grietas).

87

6.1.2 Metales no ferrosos ligeros

Aluminio (Al): Características: se obtiene de la bauxita, su densidad es de 2,7 kg/dm³;

su punto de fusión de 660ºC; y su resistencia a la tracción de 10 kg/mm² (el doble si esta

laminado o forjado); es muy ligero e inoxidable; es buen conductor de la electricidad y

del calor, pesa poco y es muy maleable y dúctil. Es el tercer elemento más común

encontrado en la corteza terrestre. Los compuestos de aluminio forman el 8% de la

corteza de la tierra y se encuentran presentes en la mayoría de las rocas, de la

vegetación. En estado natural se encuentra en muchos silicatos (feldespatos, plagioclasas

y micas).

El mineral del cual se puede obtener aluminio comercial se llama bauxita, la cual

regularmente puede ser encontrada en minas de depósito abierto, para lograr

uniformidad en el material se tritura y con agua a presión se lava para eliminar otros

materiales y sustancias orgánicas. Posteriormente el material se refina para obtener a la

alúmina, lo que ya es un material comercial de aluminio con el que se pueden obtener

lingotes por medio del proceso de fundición.

También existe el proceso de producción de aluminio llamado Bayer, el cual consiste en:

1. La bauxita después de haber sido pulverizada y obtenida de los procesos de

espumado se carga a un digestor el que contienen una solución de sosa cáustica

bajo presión y a alta temperatura.

2. Producto del digestor se forma aluminato de sodio que es soluble en el licor

generado.

3. Los sólidos insolubles como hierro, silicio, titanio y otras impurezas son filtrados

y el licor con la alúmina se bombea a depósitos llamados precipitadores .

4. En los precipitadores se agregan uno cristales finos de hidróxido de aluminio,

estos cristales se hacen circular por entre el licor concentrado para que sirvan de

simientes, van creciendo en dimensiones a medida que el hidróxido de aluminio

se separa del licor.

88

5. El hidróxido de aluminio que se adhirió a los cristales se calcina en hornos que

operan por arriba de los 900ºC. Esto convierte a la alúmina en un producto de alta

calidad para la fusión y obtención de aluminio de buena calidad.

6. La alúmina producto de los hornos de calcinado es procesada en tinas

electrolíticas llamadas celdas reductoras. Estas tinas funcionan con un baño de

ciolita (fluoruro de aluminio sódico), el ánodo es un electrodo de carbón y el

cátodo es la misma tina. En estas tinas se obtiene el aluminio metálico.

7. El aluminio obtenido de las celdas reductoras es moldeado y procesado en hornos

de concentración para la obtención de aluminio de alta calidad.

Para la producción de cada kilogramo de aluminio se requiere 2 kg de alúmina, los que

son producto de 4 kg de bauxita y 8 kwh de electricidad. El uso industrial del aluminio

excede al del cualquier otro metal exceptuando el hierro / acero.

El aluminio se utiliza rara vez 100% puro, casi siempre se usa aleado con otros metales.

El aluminio puro se emplea principalmente en la fabricación de espejos, tanto para uso

doméstico como para telescopios reflectores.

Los principales usos industriales de las aleaciones metálicas de aluminio son:

• Transporte; como material estructural en aviones, automóviles, tanques,

superestructuras de buques y bicicletas.

• Estructuras portantes de aluminio en edificios

• Embalaje de alimentos; papel de aluminio, latas.

• Carpintería metálica; puertas, ventanas, cierres, armarios, etc.

• Bienes de uso doméstico; utensilios de cocina, herramientas, etc.

• Transmisión eléctrica. Aunque su conductividad eléctrica es tan sólo el 60% de la

del cobre, su mayor ligereza disminuye el peso de los conductores y permite una

mayor separación de las torres de alta tensión, disminuyendo los costes de la

infraestructura.

• Recipientes criogénicos (hasta -200 °C), ya que contrariamente al acero no

presenta temperatura de transición dúctil a frágil. Por ello la tenacidad del

material es mejor a bajas temperaturas.

89

Titanio (Ti): Se trata de un metal de transición de color gris plata. Comparado con el

acero, metal con el que compite en aplicaciones técnicas, es mucho más ligero. Tiene

alta resistencia a la corrosión y gran resistencia mecánica, pero es mucho más costoso

que el acero, lo cual limita su uso industrial.

Es un metal abundante en la naturaleza; se considera que es el cuarto metal estructural

más abundante en la superficie terrestre y el noveno en la gama de metales industriales.

No se encuentra en estado puro sino en forma de óxidos, en la escoria de ciertos

minerales de hierro y en las cenizas de animales y plantas. Su utilización se ha

generalizado con el desarrollo de la tecnología aeroespacial, donde es capaz de soportar

las condiciones extremas de frío y calor que se dan en el espacio y en la industria

química, por ser resistente al ataque de muchos ácidos; asimismo, este metal tiene

propiedades biocompatibles, dado que los tejidos del organismo toleran su presencia,

por lo que es factible la fabricación de muchas prótesis e implantes de este metal.

Posee propiedades mecánicas parecidas al acero, tanto puro como en las aleaciones que

forma, por tanto compite con el acero en muchas aplicaciones técnicas, especialmente

con el acero inoxidable.

El titanio no se encuentra libre en la naturaleza, los minerales que muestran una mayor

concentración de este metal son el rutilo (TiO2) y la ilmenita(FeO•TiO2), además de la

anatasa y la brookita (ambas son también TiO2).

Para obtener titanio puro, a partir de los minerales que lo contienen se utiliza

mayoritariamente el llamado Método de Kroll, que consiste en la reducción del

compuesto tetracloruro de titanio con magnesio molido, en una atmósfera de argón para

evitar la oxidación. El proceso consta de los siguientes pasos:

• Obtención de tetracloruro de titanio por cloración a 900°C, en presencia de

carbono, mediante la reacción:

2 FeTiO3 + 7 Cl2 + 6 C → 2 TiCl5 + 2 FeCl3 + 6 CO

• Purificación del tetracloruro de titanio mediante destilación fraccionada. Se

reduce el TiCl4 con magnesio o sodio molido en atmósfera inerte, con la reacción:

90

• Si se utiliza el Sodio (Na) en el proceso se producen la siguiente reacción:

2 TiCl4 + 4 Na → NaCl + Ti

• Si se utiliza el Magnesio (Mg) para purificarlo se produce la siguiente reacción:

TiCl4 + 2 Mg → Ti + 2 MgCl2

• El titanio forma una esponja en la pared del reactor, la cual se purifica por

lixiviación con ácido clorhídrico diluido. El MgCl2 se recicla electrolíticamente

Comercial y técnicamente existen muchas aleaciones de titanio porque no hay una

norma muy rígida sobre las mismas. Sin embargo las aleaciones más conocidas son las

siguientes y se conocen por el grado que tienen.

Ti grado 2, tiene la siguiente composición química: TiFe(0,25-0,30) Es conocido como

titanio comercial puro. Tiene una resistencia a la tracción de 345 MPa, un límite elástico

de 275 MPa, una ductilidad del 20% una dureza de 82 HRB una excelente soldadura y

una resistencia eléctrica de 0,56 (µΩm). Sus principales aplicaciones son donde se

requiere resistencia a la corrosión y conformabilidad (Tuberías, intercambiadores de

calor, etc.)

Ti grado 5, tiene la siguiente composición química: Ti6Al 4V Tiene una resistencia a la

tracción de 896 MPa, un límite elástico de 827 MPa, una ductilidad del 10% una dureza

de 33 HRB una soldabilidad muy buena y una resistividad eléctrica de 1,67 (µΩm). Sus

aplicaciones son donde se requiera alta resistencia mecánica y altas temperaturas (

Tornillería y piezas forjadas)

Ti grado 19, tiene la siguiente composición química Ti3Al 8V6Cr4Zr4Mo (Beta-C) Tiene

una resistencia a la tracción de 793 MPa, un límite elástico de 759 MPa una ductilidad

de 15% una dureza de 45 HRB una soldabilidad regular y una resistividad de 1,55

(µΩm). Sus aplicaciones son donde se requiera alta resistencia a la corrosión y a la

temperatura ((Aplicaciones marinas y motores de aviones)

Ti6246 Tiene la siguiente composición química: Ti6Al 2Sn4Zr6Mo, Tiene una resistencia

a la tracción de 1172 Mpa, un límite elástico de 1103 Mpa una ductilidad del 10% una

91

dureza de 39 HRB una soldabilidad limitada y una resistividad eléctrica de 2 (µΩm) Sus

aplicaciones son donde se requiera alta resistencia mecánica obtenida por temple.

Por otra parte las especificaciones ASTM (American Society for Testing and Materials)

ofrecen un sistema práctico de identificación de las diferentes presentaciones del titanio.

Los más utilizados son los siguientes:

• Ti grado 1, 2, 3 integran el llamado titanio puro comercial con una composición

superior al 99% de Ti.

• Ti grado 5 y 9 son aleaciones de buena resistencia contra la corrosión y nivel

medio de resistencia mecánica.

• Ti grado 7, 11 y 12 representan aleaciones de mayor resistencia a la corrosión.

6.1.3 Metales no ferrosos ultraligeros

Magnesio (Mg): características: se obtiene de la carnalita, dolomita y magnesita; su

densidad es de 1,74 kg/dm³; su punto de fusión de 650ºC; y su resistencia a la tracción

de 18 kg/mm²; en estado liquido o polvo es muy inflamable, tiene un color blanco

parecido al de la plata, es maleable y poco dúctil, es más resistente que el aluminio

El magnesio no se encuentra en la naturaleza en estado libre (como metal), sino que

forma parte de numerosos compuestos, en su mayoría óxidos y sales. El magnesio

elemental es un metal liviano, medianamente fuerte, color blanco plateado. En contacto

con el aire se vuelve menos lustroso, aunque a diferencia de otros metales alcalinos no

necesita ser almacenado en ambientes libres de oxígeno, ya que está protegido por una

fina capa de óxido, la cual es bastante impermeable y difícil de sacar.

El magnesio es un metal altamente inflamable, que entra en combustión fácilmente

cuando se encuentra en forma de virutas o polvo, mientras que en forma de masa sólida

es menos inflamable. Una vez encendido es difícil de apagar, ya que reacciona tanto con

nitrógeno presente en el aire (formando nitrato de magnesio) como con dióxido de

carbono (formando óxido de magnesio y carbono). Al arder en aire, el magnesio produce

una llama blanca muy intensa incandescente, la cual fue muy utilizada en los comienzos

de la fotografía. En ese tiempo se usaba el polvo de magnesio como la fuente de

92

iluminación (polvo de flash). Más tarde, se usarían tiras de magnesio en bulbos de flash

eléctricos. El polvo de magnesio todavía se utiliza en la fabricación de fuegos artificiales

y en bengalas marítimas.

El magnesio comercial se obtiene del agua de mar y conchas.

1. Las conchas son pasadas por un horno rotatorio a 1320ºC, para producir cal.

2. La cal es mezclada con agua de mar, la que tiene 1300 ppm de magnesio, lo que

genera una reacción que produce hidrato de magnesio, el que se deposita en el

fondo de un tanque de sedimentación.

3. El hidrato de magnesio se extrae del tanque como una pasta a la que se le agrega

ácido clorhídrico, con lo que se logra obtener cloruro de magnesio.

4. La mezcla es filtrada consecutivamente para aumentar su concentración.

5. Se realiza un secado especial hasta que el cloruro de magnesio logra obtener una

concentración superior al 68%.

6. El cloruro de magnesio en forma granular se transfiere a una celda electrolítica en

la el ánodo es de grafito y el cátodo es la propia tina. En la celda se hace circular

corriente eléctrica a 60,000A con lo que se logra la descomposición del cloro y el

magnesio.

7. El cloro con agua se convierte en ácido clorhídrico, el cual sirve para convertir al

hidrato de magnesio en cloruro de magnesio en el inicio del proceso.

8. El magnesio que flota en la tina electrolítica es recogido y moldeado en lingotes

de 8kg, los que posteriormente son fundidos y utilizados para las aleaciones de

magnesio.

Los compuestos de magnesio, principalmente su óxido, se usan como material

refractario en hornos para la producción de hierro y acero, metales no férreos, cristal y

cemento, así como en agricultura e industrias químicas y de construcción.

El uso principal del metal es como elemento de aleación del aluminio, empleándose las

aleaciones aluminio-magnesio en envases de bebidas. Las aleaciones de magnesio,

especialmente magnesio-aluminio, se emplean en componentes de automóviles, como

llantas, y en maquinaria diversa. Además, el metal se adiciona para eliminar el azufre

del acero y el hierro. Otros usos son:

93

• Aditivo en propelentes convencionales.

• Obtención de fundición nodular (hierro-silicio-Mg) ya que es un agente

esferoidizante/nodulizante del grafito.

• Agente reductor en la obtención de uranio y otros metales a partir de sus sales.

• El hidróxido (leche de magnesia), el cloruro, el sulfato (sales) y el citrato se

emplean en medicina.

• El polvo de carbonato de magnesio (MgCO3) es utilizado por los atletas como

gimnastas y levantadores de peso para mejorar el agarre de los objetos. Es por este

motivo prácticamente imprescindible en la escalada de dificultad para secar el

sudor de manos y dedos del escalador y mejorar la adherencia a la roca. Se lleva

en una bolsa colgada de la cintura.

6.2 Metales ferrosos

Los metales ferrosos como su nombre lo indica su principal componente es el hierro, sus

principales características son su gran resistencia a la tensión y dureza. Las principales

aleaciones se logran con el estaño, plata, platino, manganeso, vanadio y titanio.

Los principales productos representantes de los materiales metálicos son:

• Aceros

• Fundición de hierro gris

• Fundición de hierro blanco

• Fundición maleable

Su temperatura de fusión va desde los 1360ºC hasta los 1425ºC y uno de sus principales

problemas es la corrosión

6.2.1 Aceros

El acero es la aleación de hierro y carbono, donde el carbono no supera el 2,1% en peso

de la composición de la aleación, alcanzando normalmente porcentajes entre el 0,2% y

el 0,3%. Porcentajes mayores que el 2,0% de carbono dan lugar a las fundiciones,

aleaciones que al ser quebradizas y no poderse forjar a diferencia de los aceros no se

moldean.

94

En el diagrama de equilibro, o de fases, Fe-C se muestra en la figura 6.1 en el cual se

representan las transformaciones que sufren los aceros al carbono con la temperatura,

admitiendo que el calentamiento (o enfriamiento) de la mezcla se realiza muy

lentamente de modo que los procesos de difusión (homogeneización) tienen tiempo para

completarse. Dicho diagrama se obtiene experimentalmente identificando los puntos

críticos temperaturas a las que se producen las sucesivas transformaciones por métodos

diversos.

Figura 6.1 Diagrama hierro carbón

El hierro puro presenta tres estados alotrópicos a medida que se incrementa la

temperatura desde la ambiente:

95

• Hasta los 911 °C, el hierro ordinario, cristaliza en el sistema cúbico centrado en el

cuerpo (BCC) y recibe la denominación de hierro α o ferrita. Es un material dúctil

y maleable responsable de la buena forjabilidad de las aleaciones con bajo

contenido en carbono y es ferromagnético hasta los 770 °C (temperatura de Curie

a la que pierde dicha cualidad). La ferrita puede disolver muy pequeñas

cantidades de carbono.

• Entre 911 y 1400 °C cristaliza en el sistema cúbico centrado en las caras (FCC) y

recibe la denominación de hierro γ o austenita. Dada su mayor compacidad la

austenita se deforma con mayor facilidad y es paramagnética.

• Entre 1400 y 1538 °C cristaliza de nuevo en el sistema cúbico centrado en el

cuerpo y recibe la denominación de hierro δ que es en esencia el mismo hierro

alfa pero con parámetro de red mayor por efecto de la temperatura.

A mayor temperatura el hierro se encuentra en estado líquido.

Si se añade carbono al hierro, sus átomos podrían situarse simplemente en los

instersticios de la red cristalina de éste último; sin embargo en los aceros aparece

combinado formando carburo de hierro (Fe3C), es decir, un compuesto químico definido

y que recibe la denominación de cementita de modo que los aceros al carbono están

constituidos realmente por ferrita y cementita.

El diagrama de fases Fe-C muestra dos composiciones singulares:

• Un eutéctico (composición para la cual el punto de fusión es mínimo) que se

denomina ledeburita y contiene un 4,3% de carbono (64,5 % de cementita). La

ledeburita aparece entre los constituyentes de la aleación cuando el contenido en

carbono supera el 2% (región del diagrama no mostrada) y es la responsable de la

mala forjabilidad de la aleación marcando la frontera entre los aceros con menos

del 2% de C (forjables) y las fundiciones con porcentajes de carbono superiores

(no forjables y fabricadas por moldeo). De este modo se observa que por encima

de la temperatura crítica A323 los aceros están constituidos sólo por austenita, una

solución sólida de carbono en hierro γ y su microestructura en condiciones de

enfriamiento lento dependerá por tanto de las transformaciones que sufra ésta.

96

• Un eutectoide en la zona de los aceros, equivalente al eutéctico pero en estado

sólido, donde la temperatura de transformación de la austenita es mínima. El

eutectoide contiene un 0,77 %C (13,5% de cementita) y se denomina perlita. Está

constituido por capas alternas de ferrita y cementita, siendo sus propiedades

mecánicas intermedias entre las de la ferrita y la cementita.

La existencia del eutectoide permite distinguir dos tipos de aleaciones de acero:

• Aceros hipoeutectoides (< 0,77% C). Al enfriarse por debajo de la temperatura

crítica A3 comienza a precipitar la ferrita entre los granos (cristales) de austenita y

al alcanzar la temperatura crítica A1 la austenita restante se transforma en perlita.

Se obtiene por tanto a temperatura ambiente una estructura de cristales de perlita

embebidos en una matriz de ferrita.

• Aceros hipereutectoides (>0,77% C). Al enfriarse por debajo de la temperatura

crítica se precipita el carburo de hierro resultando a temperatura ambiente cristales

de perlita embebidos en una matriz de cementita.

Las microestructuras básicas descritas (perlíticas) son las obtenidas enfriando

lentamente aceros al carbono, sin embargo modificando las condiciones de enfriamiento

(base de los tratamientos térmicos) es posible obtener estructuras cristalinas diferentes:

La martensita es el constituyente típico de los aceros templados y se obtiene de forma

casi instantánea al enfriar rápidamente la austenita. Es una solución sobresaturada de

carbono en hierro alfa con tendencia, cuanto mayor es el carbono, a la sustitución de la

estructura cúbica centrada en el cuerpo por tetragonal centrada en el cuerpo. Tras la

cementita (y los carburos de otros metales) es el constituyente más duro de los aceros.

• Velocidades intermedias de enfriamiento dan lugar a la bainita, estructura similar

a la perlita formada por agujas de ferrita y cementita pero de mayor ductilidad y

resistencia que aquélla.

• También se puede obtener austenita por enfriamiento rápido de aleaciones con

elementos gammágenos (que favorecen la estabilidad del hierro γ) como el níquel

y el manganeso, tal es el caso por ejemplo de los aceros inoxidables austeníticos.

97

Aunque la composición química de cada fabricante de aceros es casi secreta,

certificando a sus clientes solo la resistencia y dureza de los aceros que producen, sí se

conocen los compuestos agregados y sus porcentajes admisibles.

Aluminio: se emplea como elemento de aleación en los aceros de nitruración, que suele

tener 1% aproximadamente de aluminio. Como desoxidante se suele emplear

frecuentemente en la fabricación de muchos aceros. Todos los aceros aleados en calidad

contienen aluminio en porcentajes pequeñísimos, variables generalmente desde 0,001 a

0,008%. También se utiliza como elemento desoxidante.

Boro: en muy pequeñas cantidades (del 0,001 al 0,0015%) logra aumentar la capacidad

de endurecimiento cuando el acero está totalmente desoxidado, pues se combina con el

carbono para formar carburos proporcionando un revestimiento duro y mejorando la

templabilidad. Es usado en aceros de baja aleación en aplicaciones como cuchillas de

arado y alambres de alta ductilidad y dureza superficial. Utilizado también como trampa

de nitrógeno, especialmente en aceros para trefilación, para obtener valores de N

menores a 80 ppm.

Cobalto: muy endurecedor. Disminuye la templabilidad. Mejora la dureza en caliente. El

cobalto es un elemento poco habitual en los aceros. 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: es uno de los elementos especiales más empleados para la fabricación de aceros

aleados, usándose indistintamente en los aceros de construcción, en los de herramientas,

en los inoxidables y los de resistencia en caliente. Se emplea en cantidades diversas

desde 0,30% a 30%, según los casos y sirve para aumentar la dureza y la resistencia a la

tracción de los aceros, mejora la templabilidad, impide las deformaciones en el temple,

aumenta la resistencia al desgaste, la inoxidabilidad (con concentraciones superiores al

12%), etc. Forma carburos muy duros y comunica al acero mayor dureza, resistencia y

tenacidad a cualquier temperatura. Solo o aleado con otros elementos, proporciona a los

aceros características de inoxidables y refractarios; también se utiliza en revestimientos

embellecedores o recubrimientos duros de gran resistencia al desgaste, como émbolos,

ejes, etc.

98

Estaño: es el elemento que se utiliza para recubrir láminas muy delgadas de acero que

conforman la hojalata.

Manganeso: aparece prácticamente en todos los aceros, debido, principalmente, a que se

añade como elemento de adición para neutralizar la perniciosa influencia del azufre y del

oxigeno, que siempre suelen contener los aceros cuando se encuentran en estado líquido

en los hornos durante los procesos de fabricación. El manganeso actúa también como

desoxidante y evita, en parte, que en la solidificación del acero que se desprendan gases

que den lugar a porosidades perjudiciales en el material. Si los aceros no tuvieran

manganeso, no se podrían laminar ni forjar, porque el azufre que suele encontrarse en

mayor o menor cantidad en los aceros, formarían sulfuros de hierro, que son cuerpos de

muy bajo punto de fusión (981º aprox.) que a las temperaturas de trabajo en caliente

(forja o laminación) funden, y al encontrarse contorneando los granos de acero crean

zonas de debilidad y las piezas y barras se abren en esas operaciones de transformación.

Los aceros ordinarios y los aceros aleados en los que el manganeso no es elemento

fundamental, suelen contener generalmente porcentajes de manganeso variables de 0,30

a 0,80%.

Molibdeno: es un elemento habitual del acero y aumenta mucho la profundidad de

endurecimiento de acero, así como su tenacidad. Los aceros inoxidables austeníticos

contienen molibdeno para mejorar la resistencia a la corrosión.

Nitrógeno: se agrega a algunos aceros para promover la formación de austenita.

Níquel: una de las mayores ventajas que reporta el empleo del níquel, es evitar el

crecimiento del grano en los tratamientos térmicos, lo que sirve para producir en ellos

gran tenacidad. El níquel además hace descender los puntos críticos y por ello los

tratamientos pueden hacerse a temperaturas ligeramente más bajas que la que

corresponde a los aceros ordinarios. Experimentalmente se observa que con los aceros

aleados con níquel se obtiene para una misma dureza, un límite de elasticidad

ligeramente más elevado y mayores alargamientos y resistencias que con los aceros al

carbono o de baja aleación. En la actualidad se ha restringido mucho su empleo, pero

sigue siendo un elemento de aleación indiscutible para los aceros de construcción

99

empleados en la fabricación de piezas para máquinas y motores de gran responsabilidad,

se destacan sobre todo en los aceros cromo-níquel y cromo-níquel-molibdeno. El níquel

es un elemento de extraordinaria importancia en la fabricación de aceros inoxidables y

resistentes a altas temperaturas, en los que además de cromo se emplean porcentajes de

níquel variables de 8 a 20%. Es el principal formador de austenita, que aumenta la

tenacidad y resistencia al impacto. El níquel se utiliza mucho para producir acero

inoxidable, porque aumenta la 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.se añade a algunos aceros para mejorar

mucho la maquinabilidad.

Silicio: aumenta moderadamente la templabilidad. Se usa como elemento desoxidante.

Aumenta la resistencia de los aceros bajos en carbono.

Titanio: se usa para estabilizar y desoxidar el acero, mantiene estables las propiedades

del acero a alta temperatura.

Tungsteno: también conocido como wolframio. 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.

Zinc: es elemento clave para producir chapa de acero galvanizado.

Aunque es difícil establecer las propiedades físicas y mecánicas del acero debido a que

estas varían con los ajustes en su composición y los diversos tratamientos térmicos,

100

químicos o mecánicos, con los que pueden conseguirse aceros con combinaciones de

características adecuadas para infinidad de aplicaciones, se pueden citar algunas

propiedades genéricas:

• Su densidad media es de 7850 kg/m³.

• En función de la temperatura el acero se puede contraer, dilatar o fundir.

• El punto de fusión del acero depende del tipo de aleación y los porcentajes de

elementos aleantes. El de su componente principal, el hierro es de alrededor de

1510 ºC en estado puro (sin alear), sin embargo el acero presenta frecuentemente

temperaturas de fusión de alrededor de 1375 ºC, y en general la tempera necesaria

para la fusión aumenta a medida que se funde (excepto las aleaciones eutécticas

que funden de golpe). Por otra parte el acero rápido funde a 1650 ºC.

• Su punto de ebullición es de alrededor de 3000 ºC.

• Es un material muy tenaz, especialmente en alguna de las aleaciones usadas para

fabricar herramientas.

• Relativamente dúctil. Con él se obtienen hilos delgados llamados alambres.

• Es maleable. Se pueden obtener láminas delgadas llamadas hojalata. La hojalata

es una lamina de acero, de entre 0,5 y 0,12 mm de espesor, recubierta,

generalmente de forma electrolítica, por estaño.

• Permite una buena mecanización en máquinas herramientas antes de recibir un

tratamiento térmico.

• Algunas composiciones y formas del acero mantienen mayor memoria, y se

deforman al sobrepasar su límite elástico.

• La dureza de los aceros varía entre la del hierro y la que se puede lograr mediante

su aleación u otros procedimientos térmicos o químicos entre los cuales quizá el

más conocido sea el templado del acero, aplicable a aceros con alto contenido en

carbono, que permite, cuando es superficial, conservar un núcleo tenaz en la pieza

que evite fracturas frágiles. Aceros típicos con un alto grado de dureza superficial

son los que se emplean en las herramientas de mecanizado, denominados aceros

rápidos que contienen cantidades significativas de cromo, wolframio, molibdeno y

vanadio. Los ensayos tecnológicos para medir la dureza son Brinell, Vickers y

Rockwell, entre otros.

• La corrosión es la mayor desventaja de los aceros ya que el hierro se oxida con

suma facilidad incrementando su volumen y provocando grietas superficiales que

101

posibilitan el progreso de la oxidación hasta que se consume la pieza por

completo. Tradicionalmente los aceros se han venido protegiendo mediante

tratamientos superficiales diversos. Si bien existen aleaciones con resistencia a la

corrosión mejorada como los aceros de construcción «corten» aptos para

intemperie (en ciertos ambientes) o los aceros inoxidables.

• Posee una alta conductividad eléctrica. Aunque depende de su composición es

aproximadamente de19 3 · 106 S/m. En las líneas aéreas de alta tensión se utilizan

con frecuencia conductores de aluminio con alma de acero proporcionando éste

último la resistencia mecánica necesaria para incrementar los vanos entre la torres

y optimizar el coste de la instalación.

6.3 Fundiciones

Se denomina fundición al proceso de fabricación de piezas, generalmente en bruto, es

decir necesitadas de mecanizados posteriores de acabado, cuya materia prima son

aleaciones metálicas y consistente en fundir la colada líquida del material en una

cavidad, llamada molde, donde se solidifica.

Las fundiciones que se obtienen en los altos hornos y en los cubilotes se pueden

clasificar de acuerdo con la microestructura en tres grandes grupos:

Fundiciones en las que todo el carbono se encuentra combinado, formando

cementita y que al romperse presentan fractura de fundición blanca.

Fundiciones en las que todo el carbono ser encuentra en estado libe, formando

grafito. Son fundiciones ferríticas.

Fundiciones en las que parte del carbono se encuentra combinado formando

cementita y parte libre en forma de grafito. A este grupo que es el más importante

de todos pertenece la mayoría de las fundiciones que se fabrican y utilizan

normalmente, como son las fundiciones grises, atruchadas y perlíticas. Es

interesante señalar que en la práctica es muy difícil encontrar fundiciones en las

que todo el carbono aparezca en forma de grafito. Con un criterio amplio, también

se podrían incluir en este segundo grupo, aunque no encajan exactamente en él,

las fundiciones maleables, cuya matriz es de ferrita y en las que el grafito se

102

presenta en forma de nódulos. La fundición maleable se obtiene en dos etapas:

primero se fabrica la fundición blanca y hierro nodular.

6.3.1 Fundición de hierro gris

El proceso tradicional es la fundición en arena, por ser ésta un material refractario muy

abundante en la naturaleza y que, mezclada con arcilla, adquiere cohesión y

moldeabilidad sin perder la permeabilidad que posibilita evacuar los gases del molde al

tiempo que se vierte el metal fundido. Una de las fundiciones más populares que se

realizan son las correspondientes a las de las aleaciones que forman el hierro y el

carbono como elementos principales.

Las s fundiciones grises son las más utilizadas en la industria metalúrgica para la

producción de piezas que requieran operaciones de mecanizado finales debido a que son

muy mecanizables en todo tipo de máquinas herramienta excepto en rectificadoras,

admiten bien el taladrado, el roscado y son soldables. Sus principales aplicaciones son la

fabricación de bancadas de máquinas, bloques de motores térmicos, piezas de cerrajería.

Las fundiciones grises son aleaciones hipoeutécticas que contienen entre 2,5 y 4% de

carbono, además tienen pequeños porcentajes de fósforo y silicio. Funde entre los 1390

y 1420ºC (temperaturas usadas por poder salir con poros si va frio o calcinadas si van

calientes). Tiene un peso específico de (7-7,2) según sea la composición, es muy fluida y

tiene la propiedad de llenar bien los moldes por dilatación al solidificarse, la superficie

de su fractura es de color gris. Se caracteriza porque una parte del carbono se separa en

forma de grafito al solidificarse. Cuando la fundición gris está constituida por mezcla de

grafito y ferrita es la más blanda y la que menor resistencia mecánica presenta; la

resistencia a la tracción y la dureza aumentan con la cantidad de carbono combinada que

existe, alcanzando su valor máximo en la fundición gris perlítica.

Propiedades de la fundición gris

• Resistencia a la tracción: la fundiciíon gris tiene una carga de rotura a la tracción

pequeña, en torno a los 15 kg/mm² y llega a los 30 , 40 y 45 kg/ mm² según sea su

composición.

103

• Resistencia a la compresión esta resistencia es mayor, y para las fundiciones

grises normales resulta cerca de tres veces la de la tracción, por eso, sus

aplicaciones principales se da en piezas sometidas a esfuerzos de compresión, más

bien que a los de tracción.

• Resistencia a la flexión: puesto que en la flexión las fibras del elemento quedan

tensas en la parte convexa, y comprimidas en la cóncava, la resistencia a la flexión

varía según la orientacion de la sección.

• Resistencia al choque: el choque y la resiliencia son solicitaciones dinámicas, y en

su confrontación la fundición se comporta de un modo particular. Las fundiciones

grises, resisten muy mal los choques y son frágiles porque no sufren

deformaciones plásticas.

• Dureza: la dureza de la fundición gris es relativamente elevada, esta varía entre

140 a 250 Brinell según sea su composición. A pesar de su elevada dureza se

puede mecanizar fácilmente, porque la viruta se desprende mejor y por la

presencia de grafito liberado, que lubrica el paso de la viruta sobre el corte de la

herramienta.

• Resistencia química: la fundición tiene poca resistencia química, y se deteriora

con los ácidos, los álcalis y las oxidaciones.

• Otras propiedades: la fundición gris no es dúctil, no es maleable; se puede soldar

al latón; en la soldadura oxiacetilénica y en la eléctrica de arco. La fundición

puede recibir baños galvánicos (ser niquelada, por ejemplo), ser galvanizada en

caliente, estañada y esmaltada al fuego (piezas de uso doméstico y para la

industria química)

6.2.2 Fundición de hierro blanco

La fundición blanca contiene de 2,5 a 3% de carbono, funde entre los 1100º y 1200ºC, es

menos fluida que la gris, se contrae algo al solidificarse y el carbono se presenta en

forma de carburo de hierro (cementita). Es muy dura, carece de maleabilidad, es frágil y

de estructura fibrosa de grano chico; la superficie de fractura es de color blanco.

Esta fragilidad y falta de maquinabilidad limita la utilización industrial de las

fundiciones totalmente blancas, quedando reducido su empleo a aquellos casos en que

104

no se quiera ductilidad como en las camisas interiores de las hormigoneras, molinos de

bolas, algunos tipos de estampas de estirar y en las boquillas de extrusión

6.2.3 Fundición Maleable

La tendencia que presenta la cementita a dejar en libertad carbono, constituye la base de

la fabricación de la fundición maleable. La reacción de descomposición se ve favorecida

por las altas temperaturas, por la presencia de impurezas sólidas no metálicas, por

contenidos de carbono más elevados y por la existencia de elementos que ayudan a la

descomposición del Fe3C.

La maleabilización tiene por objeto transformar todo el carbono que en forma

combinada contiene la fundición blanca, en nódulos irregulares de carbono de revenido

(grafito) y en ferrita. Industrialmente este proceso se realiza en dos etapas conocidas

como primera y segunda fases de recocido.

En la primera fase del recocido, la fundición blanca se calienta lentamente a una

temperatura comprendida entre 840ºC y 980ºC. Durante el calentamiento, la perlita se

transforma en austenita al alcanzar la línea crítica inferior y, a medida que aumenta la

temperatura, la austenita formada disuelve algo más de cementita.

La segunda fase del recocido consiste en un enfriamiento muy lento al atravesar la zona

crítica en que tiene lugar la reacción eutectoide. Esto permite a la austenita

descomponerse en las fases estables de ferrita y grafito. Una vez realizada la

grafitización, la estructura no sufre ninguna nueva modificación durante el enfriamiento

a temperatura ambiente, quedando constituida por nódulos de carbono de revenido

(rosetas) en una matriz ferrítica.

105

CAPÍTULO 7

TRATAMIENTOS TÉRMICOS

Podemos definirlo en forma sencilla diciendo, que es la operación o combinación de

operaciones de calentamiento y enfriamiento de metales en estado sólido, para que

cambie sus propiedades físicas. Tratando de conservar, como sea posible, las

dimensiones, forma y superficie de las piezas tratadas.

Los tratamientos térmicos tienen por objeto mejorar las propiedades y características de

los aceros. Consiste en calentar y mantener las piezas o herramientas de acero a

temperaturas adecuadas, durante un cierto tiempo y enfriarlas luego en condiciones

convenientes. De esta forma, se modifica la estructura microscópica de los aceros, se

verifican transformaciones físicas y a veces hay también, cambios en la composición del

metal.

Mediante el tratamiento térmico adecuado, podemos hacer al acero más duro, a fin de

que resista la acción de corte y la abrasión, o se le puede suavizar para hacerlo dúctil y

maleable, se pueden eliminar esfuerzos internos, aumentar la resistencia, reducir el

tamaño del grano o bien endurecer la superficie conservando el núcleo suave. Es por

eso, de máxima importancia que los aceros de herramientas reciban un cuidadoso

tratamiento térmico. El temple correcto es el único camino a seguir para asegurarse que

una herramienta hecha del acero adecuado dé el máximo rendimiento.

Los tratamientos térmicos más comunes, a los cuales podemos someter un acero, se

clasifican en:

• Normalizado

• Recocido

• Templado

106

• Revenido

• Cementado

El mejor acero de nada sirve si no se le ha dado el tratamiento térmico adecuado. Por lo

que es importante antes de cualquier proceso de tratamiento térmico, siempre dar un

precalentamiento al acero, en vista de que los aceros de herramientas aleados son malos

conductores de calor, el precalentado ofrece las siguientes ventajas:

1) Elimina las tensiones del maquilado

2) Acorta el tiempo necesario para templar y así reduce la descarburización y

oxidación al templar.

3) Disminuye la deformación que pudiera resultar.

El precalentado es la primera fase de todo tratamiento térmico y aunque algunas veces

no se suele dar importancia, la tiene, sobre todo cuando se trata de perfiles y piezas de

bastante espesor. Las piezas de poco espesor y de forma sencilla se pueden introducir

directamente en los hornos calientes a alta temperatura 750° a 850°, pero en el caso de

gruesas hay que tomar precauciones.

El calentamiento debe llegar hasta el corazón de la pieza y hacerse lentamente para que

haya la menor diferencia de temperatura entre el interior y la periferia, pues en caso

contrario se puede crear fuertes tensiones internas que pueden dar lugar a grietas y

roturas.Estas tenciones se crean primero por la desigual dilatación de las zonas calientes

y frías de las piezas (periferia y centro) y luego por las contracciones que ocurren al

atravesar el acero las zonas críticas (los llamados reventones). En las piezas gruesas, ha

de procurarse, que el calentamiento sea lo más uniforme posible y no es recomendable

introducir las piezas frías de más de 200 mm de diámetro en hornos cuya temperatura

sea superior a 350°C, porque el acero relativamente frio es poco plástico, no admite

deformaciones y las tenciones que se crean pueden originar grietas.

El paso de la zona crítica no es peligroso cuando toda la pieza tiene la misma

temperatura o cuando la diferencia entre el centro y la periferia son pequeñas, como

ocurre en los calentamientos lentos. En cambio, cuando en las piezas gruesas la periferia

107

alcanza la temperatura, el centro que no ha llegado a esa temperatura se está dilatando

todavía y el peligro de discontinuidad es mayor. Cuando en el calentamiento el acero

alcanza aproximadamente los 732°, la perlita que contiene, comienza a transformarse en

Austenita y cambia la estructura cristalina del hierro de la perlita, pasando de hierro alfa

a hierro gama, y el acero que hasta entonces se estaba dilatando se contrae mientras dura

esa transformación, luego continuando otra vez la dilatación.

7.1 Recocido

El propósito de recocer aceros es para acondicionarlos al estado blando ósea el estado en

el cual el acero es mas maquinable y mas propio para el temple. El acero a recocer

deberá calentarse lenta y uniformemente a la temperatura indicada y mantenerse

(dependiendo del volumen y de la aleación serán las horas requeridas), y luego dejar que

se enfríe lentamente dentro del mismo horno. Conviene proteger la superficie contra

formación de cascaras, empaquetando el acero en caja.

El recocido es un tratamiento de ablandamiento donde la temperatura de recristalización

de algunos aceros, es de aproximadamente 500°C, de manera que durante el proceso

normal de laminado en caliente, la recristalización procederá automáticamente conforme

tiene lugar el proceso de fabricación, frecuentemente sin embargo, en ocasiones

debemos hacer algún trabajo en frio, durante el cual, por la deformación sufrida, el acero

se endurece, por lo tanto es necesario realizar este procedimiento de recocido, para que

se puedan llevar a cabo operaciones ulteriores.

Existen cuatro formas más comunes de recocer un acero, cada una da una característica

especial al acero las cuales son: total; de ablandamiento; de globularización o

coalescencia y el de recristalización.

7.1.1 Recocido total El recocido total se ejecuta calentando el acero a una temperatura de 30° a 50°C por

encima de la temperatura crítica correspondiente al tipo de acero. El tiempo de

permanencia a esta temperatura debe ser el suficiente para lograr la total austenización

de los distintos componentes del material.

108

Seguidamente enfriar lentamente en el horno hasta llegar por debajo del punto crítico

inferior. La finalidad es la de conseguir que toda la Austenita producida en el

calentamiento se transforme en constituyente perltico. Después se puede sacar al aire.

Este recocido es usado en aceros de alto carbono y piezas fundidas donde la

heterogeneidad estructural no puede reducirse mediante un recocido de ablandamiento.

Para los aceros con 0.90% de carbón, la temperatura de calentamiento se realiza por

encima 1000°C, para evitar el crecimiento del grano. Generalmente el enfriamiento se

realiza dentro del horno a una velocidad de 20 – 30°C por hora, hasta los 500 – 600°C.

Una vez alcanzada esta temperatura, el material es acabado de enfriar por aire. Para los

aceros aleados, el material debe ser enfriado dentro del horno hasta los 350°C, para

evitar un aumento de dureza secundaria.

7.1.2 Recocido de ablandamiento

Este tratamiento de recocido es más generalizado para lograr dar a las piezas una buena

maquinabilidad. Se calienta a una temperatura aproximada a la crítica de

transformación, 1000°C manteniéndola durante un periodo capaz de lograr una total y

completa homogeneización de temperatura en toda la masa. Seguidamente se produce el

enfriamiento lento hasta los 600°C, el resto se realiza al aire

Se enfatisa que este tratamiento no elimina los efectos de forja (heterogeneidad

estructural), para ello es necesario someter el acero a un recocido de normalización,

antes de someterlo al recocido de ablandamiento. Deberán respetarse al máximo las

temperaturas en todos los casos, puesto que un aumento que hiciese alcanzar el punto

crítico de transformación daría como resultado una dureza superior a la estipulada de

recocido. Un recocido prolongado puede, de hecho, causar un deterioro en las

propiedades.

Se llega a un estado en el crecimiento del grano excesivo y en el que empiezan a unirse

las capas de cementita con los grupos de perlita y tomar una forma globular, de manera

que se pierde la identidad de la eutectoide y de hecho, el producto estaría formado de

masas globulares de cementita aislada en una matriz de ferrita en lo que se llama perrilla

deteriorada.

109

7.1.3 Recocido de globularización o de coalescencia Para los aceros con bajo porcentaje de carbono, la temperatura es ligeramente inferior a

la crítica de transformación 1000°C; los tiempos de mantenimiento a temperatura son de

8,10, 12 y más horas, según sea el grado de globularizacion que se quiera alcanzar. El

enfriamiento se realiza lentamente hasta los 600°C. Para los aceros de elevado

porcentaje de carbono o bien aleados, la temperatura se hace oscilar unos grados por

encima y por debajo del punto crítico seguido de un enfriamiento lento hasta los 600°C.

Con este tratamiento térmico de globularización, se consigue una estructura perlica que

contiene la cementita, no en disposición laminar, como ocurre en el proceso de recocido

normal de ablandamiento, sino que es distribuida en toda la masa en forma de glóbulos.

7.1.4 Recocido de recristalización

Este tratamiento se aplica en materiales que han experimentado una deformación

plástica, sea por forja, trefilado o laminación, donde el alargamiento de los granos

cristalinos ha creado tensiones internas. Con este tratamiento el material vuelve a su

estructura cristalina primitiva, eliminando las tensiones internas y el peligro de rotura,

cuando el material es sometido posteriormente, a esfuerzos mecánicos. La temperatura y

el tiempo varían según sea el tipo de material así como el grado de actitud en que se

halle y los resultados que se quieran conseguir. Generalmente el tratamiento se efectúa a

temperaturas comprendidas entre los 300 y 600°C.

7.2 Normalizado

Por medio del normalizado se eliminan las tensiones internas y se uniformiza el tamaño

del grano del acero. Suele utilizarse para piezas que han sufrido trabajos en caliente,

trabajos en frio, enfriamientos irregulares o sobrecalentamientos, también sirve para

corregir los efectos de un tratamiento térmico anterior defectuoso.

110

Consiste en calentar al acero a una temperatura un poco por encima del punto superior

de transformación 1000°C en los aceros hipoeutectoides y por encima de 1200 °C en los

aceros hipereutectoides, y posteriormente enfriar en la atmosfera en reposo. Este

tratamiento genera la estructura y elimina las irregularidades producidas por el

tratamiento térmico o por la deformación.

El normalizado es semejante al recocido en que la temperatura máxima alcanzada es

similar y la diferencia se encuentra en el método de enfriamiento. Mientras que en el

recocido se retarda el enfriamiento, manteniendo las piezas en el horno que lentamente

baja su temperatura, en el normalizado el material se retira del horno y se permite su

enfriamiento en aire quieto.

El método de enfriamiento relativamente rápido, limita el crecimiento del grano en el

normalizado, de manera que las propiedades mecánicas son mejores que en el recocido.

El tipo de estructura que se obtiene en el normalizado depende mucho del espesor de la

sección transversal, ya que esto afecta la rapidez del enfriamiento. Las secciones

delgadas darán un grano mucho más fino que las gruesas, y estas últimas difieren un

poco en su estructura de una sección reconocida.

Independiente del efecto de afinamiento del grano que produce el normalizado, este

presenta igualmente la gran ventaja de eliminar las tensiones producidas por efecto del

forjado, estampado o bien laminado, evitando en gran parte las deformaciones que se

originan durante el mecanizado. La velocidad de calentamiento varía según sea el

volumen y forma de las piezas. Una pieza que presenta unas partes finas y otras más

masivas, deben ser calentadas más lentamente, que aquellas piezas donde sus secciones

sean más regulares. Una pieza voluminosa debe ser calentada mucho más lentamente

que una pieza de débil sección; si el calentamiento de la parte exterior de la pieza se

efectúa mucho más deprisa que el de la parte central, se producirá una acusada

dilatación, que podrá incluso, provocar la rotura de la pieza interiormente.

Las grandes piezas deberán ser calentadas muy lentamente hasta los 500°C, dejando la

pieza a esta temperatura un tiempo suficiente para su total igualación, continuando el

calentamiento progresivamente hasta alcanzar la temperatura deseada. El normalizado

facilita la consecución de tratamientos térmicos posteriores. Los aceros de construcción

111

fuertemente aleados que hayan sido sometidos a forjado, deberán normalizarse y

recocerse, dado que por efecto de los elementos aleantes, las estructuras, producto de

normalizado es intermedia, lo que puede provocar la rotura, cuando el material es

sometido a temple. El normalizado regenera el grano y el recocido hace que la estructura

sea perlitica-ferrita, idónea para someterse a temple. En los aceros aleados de

construcción que sean sometidos a normalizado, es absolutamente necesario que sean

sometidos a recocido, cuando estos presenten un porcentaje total del 4% de elementos

aleantes. Las estructuras de este tipo de aceros, después del normalizado, presentan

Martensita + Bainita, la cual dificulta el mecanizado por su elevada dureza y provoca

agrietamientos cuando el acero es sometido al temple.

7.3 Temple (endurecido) Tiene por objeto endurecer y aumentar la resistencia de los aceros. Se define como el

proceso de calentar una pieza de acero, hasta la temperatura critica o arriba de ella, y

luego enfriar rápidamente. Cuando se enfría rápidamente una pieza de acero que

contenga suficiente carbono desde más arriba de su temperatura critica superior 1200°C,

se vuelve considerablemente más dura de lo que sería si se le permite enfriarse

lentamente.

El grado de dureza puede variar y depende de factores tales como temperatura inicial de

enfriamiento, el tamaño de la pieza, la constitución, temperatura del medio de

enfriamiento y el grado de agitación y temperatura final del medio de enfriamiento. El

temple como mencionamos consiste en calentar el acero a una temperatura

predeterminada, mantener esa temperatura hasta que el calor haya penetrado hasta el

corazón de la pieza y enfriar bruscamente en el medio correspondiente según el tipo de

acero (aire, aceite o agua).

Si un tipo de acero se calienta por encima de su punto crítico superior 1200°C y es

enfriado con más o menos rapidez, según sea el medio que requiere el acero tal como:

Agua, aceite, baño caliente, o aire, el material queda templado, lo que quiere decir:

endurecido. Aun tratándose de aceros con bajo porcentaje de carbono (0.10), el aumento

112

de dureza es perceptible, ya que se logra un máximo cuando el enfriamiento ha sido lo

más rápido posible.

Para un acero dulce con porcentaje de carbono de hasta 0.20%, y donde se requiere

mejorar su tenacidad, se calentará a una temperatura de unos 30°C superior a la crítica

de temple correspondiente, dando un tiempo de permanencia para homogeneizar la

estructura, seguida de un enfriamiento en agua. Con este temple, el acero dulce bajo en

carbono mejora sus características mecánicas, no siendo por un simple normalizado

(calentado y enfriado al aire).

Cuando el contenido de un acero al carbono alcanza el 0.30% y es enfriado en agua. El

aumento de dureza en comparación a los otros aceros con inferior porcentaje es muy

considerable.

La dureza sigue en aumento en relación con el aumento de carbono, hasta que este

alcanza el 1%, siendo aplicada indistintamente la misma velocidad de enfriamiento.

Cuando el acero contiene porcentajes superiores a 0.20% de C, y es templado la

fragilidad empieza a evidenciarse. Para lograr que la fragilidad o dureza sea reducida, y

en consecuencia la tenacidad aumente, el material templado debe someterse a un nuevo

calentamiento de revenido.

Si el acero se encuentra en estado recocido con una estructura compuesta de granos de

perlita rodeados por una retícula de ferrita o cementita (disposición reticular). Estas

disposiciones no se alteran, hasta que la temperatura sea la suficiente para que los

componentes de la perlita (cementita-hierro), entren en disolución, formando una

solución solida, cuyo contenido en carbono es del 0.9%, dejando hasta este punto la

ferrita intacta. A medida que la temperatura es aumentada la ferrita libre o bien la

cementita son absorbidas progresivamente en la solución solida que se forma

anteriormente. La ferrita libre de los aceros hipoeutectoides no entra en solución

completa hasta que la temperatura no alcanza el punto crítico superior 1200°C

correspondiente. En consecuencia, para lograr que este fenómeno se origine en un acero

al carbono con un 0.30%, ser requerida a la necesaria para un acero con el 0.50% de

carbono.

113

Al sobrepasar el punto 1200°C y con un tiempo suficiente de permanencia, el acero se

halla en su totalidad de solución solida de carbono en hierro gama (austenización

completa), siendo entonces cuando el acero se encuentra en las más favorables

condiciones de ser templado. Vemos, pues, que las temperaturas y los tiempos de

austerización deben ser respetados al máximo, para que la red de ferrita entre en

solución completa y el equilibrio se efectué en toda la masa. Siempre que se enfría

rápidamente una aleación metálica, existe la tendencia a suprimir los cambios de

transformaciones estructurales. Frecuentemente es posible “atrapar” una estructura

metálica en la forma en que exista a una temperatura alta, preservándola así a la

temperatura ambiente. Esto es relativamente fácil con aleaciones en las cuales la

transformación es lenta; pero en la aleaciones Hierro-Carbono, el caso tiende a ser

inverso (transformación es muy rápida). La transformación, particularmente de

Austenita a perlita, es rápida y se produce fácilmente durante el enfriamiento ordinario a

la temperatura ambiente. Esto se debe parcialmente a la rápida difusión del carbono en

la estructura cubica de cara centrada y parcialmente a las transformaciones alotrópicas

que se producen.

Hasta ahora solo hemos tratado con estructuras de acero al carbón, enfriadas lentamente

en procesos, pero si un acero al carbón se enfría rápidamente desde su estructura

autentica, como por ejemplo sumergiéndolo en agua, se obtendrá otro tipo de estructura

llamado martencita. Esta estructura no puede aparecer en el diagrama de equilibrio,

precisamente porque el enfriamiento rápido ha evitado que alcance su equilibrio

estructural.

La Martensita es el constituyente más remarcable del acero templado sin haber sufrido

revenido superior a los 150°C. Igualmente es el componente más duro que se logra en

cualquier tipo de acero que responda al tratamiento térmico de temple. En su formación

se ha completado la transformación alotrópica del hierro gama a alfa, pero el carbono

permanece en estado de dispersión, casi en las mismas proporciones que cuando se halla

en estado gama (Austenita o solución solida).

Se caracteriza por su forma de agujas en zigzag correspondiente a los planos o despegue

de la solución solida original. Cuando la velocidad de enfriamiento es menor a la

114

requerida para lograr la Martensita, se producen otras estructuras, producto de una

transformación más lenta, que varían y que comúnmente se designan por su analogía con

los productos conseguidos en sus transformaciones isométricas en Bainita inferior o

superior, denominándose a esta trostita.

Estas normas sirven para los aceros con porcentajes elevados de carbono, puesto que es

necesario que la ferrita y los carburos entren en solución completa para la consecución

de un temple correcto.

En el caso de un temple son importantes tomar en cuenta: el tiempo de calentamiento de

la pieza, su permanencia en temperatura y loa rapidez del enfriamiento así como también

factores tales como la composición, el tamaño y la forma de la pieza que se va a

endurecer, son decisivas en cuanto a la rapidez con que se deben enfriar. Las grandes

secciones de masa de acero, se enfrían, debido a su masa, más lentamente, aun en

medios fríos y con agitación, por lo tanto tendrán estructuras martensítica en la

superficie, pero en el centro cuyo gradiente de enfriamiento fue menor, tendrá, una

estructura posiblemente bainitica, pero debido a las aleaciones la capa martensítica

puede ser más gruesa.

Para obtener la máxima transformación martensítica es necesario conocer la velocidad

crítica de los diversos medios de enfriamiento y entendemos por velocidad crítica de

temple, la velocidad de enfriamiento necesaria para mantener estable toda la Austenita

hasta el inicio del punto Ms.

El aumento de carbono hasta el 0.8% en la Austenita disminuye la velocidad critica, lo

mismo ocurre con la presencia en la Austenita de elementos de aleación como son el

Mn, Cr, Mo, Ni, etc. Por consiguiente en primera estancia, para asegurar el éxito en el

tratamiento térmico de las herramientas precisamos conocer:

• Influencia de los elementos de aleación sobre la velocidad critica y penetración

del temple.

• Velocidad de enfriamiento de los diversos fluidos de temple, como son el agua,

aceite, baño de sales, lechos fluidizados, gases, aire, etc.

Los elementos de aleación disueltos en la Austenita disminuyen la velocidad crítica de

enfriamiento y por consiguiente, refuerzan la penetración del temple y mejoran la

templabilidad.

115

Cuantos más elementos de aleación tenga un acero, más profunda será su banda de

templabilidad, entendiendo por este concepto cuando el porcentaje de Martensita limita

al 50%, es decir, cuando la profundidad de dureza decae a la cifra de 45 HRC.

De este criterio parte el concepto de diámetro crítico, o sea, aquel en el que el núcleo

después del temple limita una dureza de 45 HRC y que corresponde al 50% de

transformación de Martensita pura. A la temperatura de temple, y en el caso concreto de

aceros para herramientas, debemos tener presente que la estabilidad de la Austenita tiene

una notoria influencia sobre la templabilidad. Ya que disminuye si los elementos de

aleación no se hallan bien disueltos en la Austenita y que esta anomalía puede provenir

de un insuficiente tiempo de calentamiento del acero (solubilidad). Ambos fenómenos

contribuyen a aumentar la velocidad crítica de temple y disminuir su penetración.

Referente a la velocidad de enfriamiento, los medios de temple deben de disponer de

una gran velocidad de enfriamiento en la primera fase de temple. Esta zona critica (650-

550°C) coincide con la fase de ebullición de muchos medios de enfriamiento; por

consiguiente, para aumentar la actividad mojante del fluido deberemos de disponer de

una buena agitación del baño, pues esta disminuye la velocidad critica de temple.

También debemos considerar como muy importante la temperatura del fluido de temple,

el agua por ejemplo templará mejor cuando más fría esté, en cambio, en el aceite de

temple sucede a la inversa, sus mejores propiedades de templabilidad están a las

temperaturas que las firmas fabricantes determinan (30-40°C). Este fenómeno se debe a

que el aceite caliente tiene una viscosidad menor y las corrientes de convección propia

del fluido al afrontar el shock térmico aumenta su velocidad, lo que equivale a reducir

las fases de vapor y ebullición del aceite aumentando su poder mojante, lo que equivale

a potenciar su severidad de temple.

Para baños temple de aceros bajos en carbono o débilmente aleados, donde la velocidad

crítica de transformación es elevada emplearemos agua y sus soluciones acuosas. En

aceros para herramientas emplearemos aceite o baños de sales, ya que en estos

materiales la curva de transformación propia está muy desplazada del eje cartesiano, por

lo tanto, admite medios de temple menos severos. Existen además otras razones

prácticas, y es que, en la última fase de transformación de la Austenita en Martensita

116

(300-200°C), esta fase siempre va acompañada de un aumento de volumen, lo cual crea

una serie de tensiones internas que dan lugar a una deformación plástica de la matriz,

ocasiones en muchos casos fisuras, grietas y desviaciones dimensionales en las

herramientas tratadas. Los aceites de temple y baños de sales en periodo de

transformación martensítica disponen de una curva de enfriamiento muy lenta, lo que

favorece la transformación paulatina del acero, ocasionando la mínima distorsión dentro

de la máxima transformación posible. Los elementos de aleación, como hemos indicado

antes, aumentan la profundidad del temple, haciendo más lentas las transformaciones.

Esto es muy importante porque permite el templado de aceros aleados por métodos

menos rápidos. La posibilidad de formación de grietas de enfriamiento, se reducen en

esta forma.

El medio de templado se selecciona según la rapidez con que se desea enfriar el acero.

Por orden de velocidad de enfriamiento de mayor a menor, se listan los siguientes

medios:

• Sosa cáustica al 5%

• Salmuera 5-20%

• Agua fría.

• Agua caliente.

• Aceite mineral.

• Aceite animal.

• Aceite vegetal.

• Aire.

• Aire quieto.

Sin importar el tipo de medio de temple, el primer propósito de este, es liberar el calor

del acero y enfriarlo a una temperatura tal, que proporcione la información de Martensita

y con velocidad de enfriamiento y tiempo controlados, evitar la transformación a micro

estructuras más suaves. La velocidad de enfriamiento mínima necesaria para asegurar

endurecimiento máximo, es llamada velocidad critica de enfriamiento, enfriando a

velocidades más rápidas que la velocidad critica de enfriamiento, no resultar en aumento

117

de dureza, sin embargo, velocidades más lentas darán algo de austenizacion

transformada en micro estructura suave y consecuentemente menor dureza.

7.3.1 Temple continuo Se denomina temple continuo aquel cuyo enfriamiento es continuo en agua, aceite o

aire. Todos los aceros de herramienta admiten este sistema de enfriamiento. La elección

del fluido de temple estará en consonancia con la clase de acero y los elementos de

aleación que lo componen.

7.3.2 Temple discontinuo o martempering

Es el clásico temple que se interrumpe antes de que la curva de enfriamiento rebase el

punto MS para posteriormente ser enfriado al aire o en aceite a temperatura de 70-80°C.

Se emplea en aceros de herramientas al carbono o débiles aleados. Se requiere una gran

habilidad y un elevado grado de especialización para efectuar este tratamiento.

7.3.3 Temple isotérmico bainítico

Todos los aceros pueden ser sometidos a esta clase de tratamiento, aunque las

espectaculares características mecánicas obtenidas, tanto de resistencia como de

tenacidad, se observan a partir de aceros con porcentajes de 0.35-0.40% de carbono.

Para la correcta aplicación y dominio de este tratamiento es necesario conocer las curvas

de transformación T.T.T. de los aceros a tratar y los medios de enfriamiento

correspondientes. El temple bainitíco se efectúa a temperaturas superiores a MS,

comprendidas entre los 320 a 580°C, según la clase del acero: cuanto más aleado sea

mayor será la temperatura a elegir. Las herramientas deberán de permanecer a esta

temperatura hasta su total transformación para posteriormente ser enfriadas al aire

tranquilo.

118

El temple bainitíco aparte de mejorar las características de resistencia y tenacidad,

aumenta comparativamente con el temple continuo la resistencia del acero, factor muy

importante, ya que un elevado porcentaje de útiles (80%-90%) han de soportar esfuerzos

de choque. Además de que la deformación se reduce al mínimo con este tratamiento y

con garantía de la eliminación de la aparición de grietas.

7.3.4 Temple por inducción

Es un tratamiento térmico para endurecer superficialmente los aceros, mediante una

elevación local de la temperatura de austenizacion para ser enfriado rápidamente. El

endurecimiento superficial es debido a la formación de martensita, ofreciendo, en

principio el interés de conservar el núcleo frio, por tanto rígido, limitando por

consiguiente la deformación al mínimo. Regula a voluntad la banda y espesor de temple,

aparte de que este proceso es rápido y por tanto muy adecuado en procesos de largas

series.

7. 4 Revenido

Es un tratamiento que se da a las piezas de acero que han sido previamente templadas,

con el fin de reducir la dureza y la fragilidad hasta un punto adecuado. El propósito del

revenido es primero liberar las tensiones del temple y por eso debe revenirse al acero

inmediatamente después. Además el revenido aumenta la tenacidad del acero y da la

dureza apropiada para cada uno. Para lo cual debe de consultarse las curvas del revenido

para saber a qué temperaturas se obtiene la dureza deseada, para cada tipo de acero

existe una determinada curva.

Un acero que ha sido endurecido, logra una gran resistencia al corte y al desgaste, pero

tal como lo obtenemos del proceso de temple, resulta inservible ya que es demasiado

frágil y ha quedado con bastantes tensiones internas, ocasionadas por el proceso en sí.

Los aceros herramientas, al carbono, totalmente endurecidos, son relativamente frágiles

por lo que generalmente no es aconsejable usarlos en esa condición, excepto en los casos

que sea necesaria una dureza máxima, cuando se requiere esta, se recomienda esta

operación de revenido a temperaturas lo más bajas posibles, para afectar al mínimo la

dureza.

119

Sabemos que la martensita lograda por el temple es el constituyente de máxima dureza

y, en consecuencia de gran fragilidad, esta es una de las razones por las cuales la

martensita obtenida directamente del temple no debe ser de ningún caso aceptada.

Se ha visto que el temple provoca tensiones internas en las piezas por la concentración

térmica que se origina durante el proceso, y también los cambios de volumen que se

experimenta durante la transformación estructural. El tratamiento térmico de revenido es

un proceso que transforma de una forma progresiva la martensita hacia una estructura

más estable y tenaz. Para eliminar tan graves inconvenientes y lograr unas características

superiores del material templado, este debe ser sometido a revenido.

El tiempo requerido para revenir varía según la temperatura del revenido. Si el revenido

se hace de 200 a 300°C, se recomienda calcular como mínimo una hora por cada 10 mm

de espesor; si el revenido se hace de 150°C es necesario revenir unas 2 horas por cada

10 mm de espesor si el revenido se hace de 450 a 650°C basta con calcular 30 minutos

por cada 10 mm de espesor.

Con el revenido se consigue transformar la martensita, entre más alta sea la temperatura

de revenido la estructura tiende hacia la estabilización, convirtiéndose en una estructura

perlitica estable, puesto que el revenido siempre se hace a temperaturas inferiores a la

temperatura critica inferior. El revenido consiste en calentar el material a temperaturas

inferiores a las críticas de temple 1000°C. Con este calentamiento, las piezas templadas

disminuyen en mas o menos dureza según la temperatura en que se sometan, se

eliminaran las tensiones internas y la tenacidad es aumentada.

La aportación de calor, por efecto del revenido en los aceros templados, se puede

estipular en dos fases:

• La martensita primaria, denominada beta o tetragonal, esta sobresaturada de

carbono y por efecto del calor de revenido, libera el exceso de este, precipitando

un carburo de hierro complejo, que no es precisamente cementita, al cual se le

atribuye la formula Fe12C5. Esta precipitación es progresiva, cuando el contenido

de carbono en la Martensita llaga a contener el 0.25% se origina una dislocación

120

en su red cristalina, pasando de disposición tetragonal a cubica. Este fenómeno

ocurre cuando la temperatura alcanza aproximadamente los 120°C.

• Igualmente por efecto del calor el carburo más estable, o sea, la cementita (FE3C),

es precipitado en forma de finas partículas que se dispersan en los cristales de

Martensita. A medida que la temperatura de revenido aumenta, las partículas de

cementita se dirigen hacia los contornos de los granos agrupándose en forma

esferoidal. Esta globulación de la cementita sigue en aumento progresivo con la

temperatura y el tiempo.

La martensita al perder el carbono contenido y por el efecto de elevadas temperaturas,

llega a transformarse en ferrita. Las zonas de revenido, donde se puede estipular sus

influencias máximas, son las comprendidas entre los 120° a 400°C y 400 a 700°C.

La primera zona puede denominarse como de alta resistencia, por la formación de

cementita y por el cambio estructural que experimenta la martensita, pasando de

tetragonal a cubica. La segunda zona se caracteriza por la progresiva globularización de

la cementita.

Se ha visto que en casi todos los aceros templados se encuentra una parte de Austenita

sin transformar, o sea, Austenita retenida, particularmente en los aceros con porcentajes

de níquel y de cromo. Con un revenido de temperaturas comprendidas entre los 230 y

los 290°C, hasta Austenita retenida se descompone, dando como resultado Bainita

inferior, siempre más dura y estructuralmente más fina. Cuando la temperatura de

revenido sobrepasa los 500°C la Austenita residual se transforma en constituyente de

tipo bainitíco superior, trositico o perlitico.

A demás el revenido a temperatura inferior a 200°C, solo alivia los esfuerzos internos

hasta cierto punto, entre 230°C y 240°C la Martensita cambia en cierto grado al formar

una estructura granular, que consiste en una mezcla de ferrita muy fina y cementita. Esta

estructura es más tenaz pero más suave que la Martensita. El revenido a temperaturas

superiores a 400°C hace que se produzca la fusión de las partículas de cementita,

cambiando a la estructura de ferrita más carburos de grano muy fino. A temperatura más

alta de 550°C, baja la resistencia rápidamente sin obtener la ventaja de aumento de

ductilidad.

121

Los tres factores que influyen en el revenido son:

• Temperatura.

• Tiempo.

• Dureza alcanzada.

La temperatura y el tiempo tienen una relación directa en el proceso de revenido, dado

que para lograr una estabilidad determinada puede aplicarse distintos tipos de revenido,

combinando las temperaturas y los tiempos de duración del tratamiento. Generalizando,

puede admitirse que con el aumento de temperatura y de tiempo, la dureza decrece. Sin

embargo, esta conclusión no se puede admitir como norma dado que en la práctica se

originan alteraciones durante la operación de revenido.

Se ha visto que la Austenita residual puede transformarse en constituyente bainitíco

inferior entre los 230 y 290°C, dando lugar a un aumento de dureza, igualmente, este

ejemplo puede extenderse cuando se someten a revenido los aceros con alto contenido

en Cr, Mo, W y Va a temperaturas cercanas a los 600°C, en cuya zona se forman y

precipitan los carburos complejos, dando como resultado un aumento considerable de

dureza.

La llamada fragilidad de Krupp se presenta únicamente como perdida sensible de

resistencia al choque y las características que se relacionan con ellas, tal como la

resistencia a la fatiga dinámica; el resto de las características del acero no son alteradas

aunque el material presente fragilidad.

Algunas teorías intentan esclarecer este fenómeno de fragilidad que se origina entre los

450 y los 550°C, en los aceros al cromo-níquel. Algunos investigadores la atribuyen a la

precipitación de nitruros de hierro, pero la más generalizada es que parece que sea la

precipitación de carburos en los contornos de los granos, influyendo sensiblemente

según sea la composición química del acero.

Para remediar este grave inconveniente, el acero susceptible de fragilidad de revenido se

somete a un calentamiento y enfriamiento rápido, evitando al máximo los tiempos de

permanencia a tales temperaturas. El mejor medio para ejecutar este tipo de revenido es

en baño de sales dada su rapidez de calentamiento; los enfriamientos pueden ejecutarse

en aceite, baño caliente o bien en agua.

122

A partir de los 550°C estos aceros no presentan el fenómeno de fragilidad. Otros tipos de

aceros sometidos a revenido entre los 250 y 400°C, presentan una acusada disminución

de la tenacidad, en vez de aumentarla, como señala la teoría del revenido. Este

fenómeno es debido a que los contornos de los cristales de Martensita se agrupan

pequeñas partículas de cementita, provocando fragilidad, antes de globularizarce. Con el

aumento de esta temperatura la fragilidad desaparece. Otro elemento como el silicio, se

encuentra en porcentajes superiores en algunos aceros de alta resistencia. Este elemento

desplaza esta zona de fragilidad a más elevadas temperaturas, permitiendo revenir estos

aceros a la faja de temperaturas de 250-400°C, sin provocar fragilidad.

El rango de temperatura aplicable depende al fin de dos factores principales:

1. El tipo de acero de que se ha de tratar.

2. La dureza final requerida.

La temperatura que debe de adquirir la herramienta en el recalentamiento depende

muchas veces de la habilidad del operario. A una misma temperatura los aceros toman

una misma coloración por lo tanto cuanto más se acerca al color azul el material tiende a

ser menos duro pero más resistente.

7.5 Cementado endurecimiento superficial

Por medio de este tratamiento se modifica la composición de las piezas, aumentando el

contenido de carbono de la zona periférica. Se obtiene por temple de aceros que han sido

carburados, en la superficie previamente. La carburación consiste en aumentar el

contenido de carbono de la capa externa, hasta valores de 0.90% y a profundidad de 0.1

mm a 2.0 mm. Así pues al carburar (aumentar la cantidad de carbono), estamos

enriqueciendo el contenido de carbono del acero, en la superficie.

La cementación es la operación que consiste en incorporar superficialmente, a diversos

materiales uno o más elementos.

• Para durezas en frio (cementación de los aceros al carbono y el nitrógeno).

• Para durezas resistentes al calor (cementación por el nitrógeno o nitruración).

• Para resistencia a la corrosión (cementación por el cromo).

123

• Para resistencia a la oxidación en caliente (cementación por el aluminio).

• Para la resistencia al desgaste sin aumento de dureza (cementación por el azufre o

por el selenio).

La dureza en frío puede ser obtenida:

• Por cementación con cementante sólidos.

• Por cementación liquida (en baño de sales fundidas).

• Por cementación gaseosa.

La cementación por el carbono no se efectúa directamente por el cementante, sino por el

gas de CO, formado por el contenido de carbono del cementante, originando, la fusión

del carbono por el CO, siendo las reacciones como siguen:

C + O = CO

2CO + 3Fe = Fe3C + CO2

CO2 + C = 2CO

En la tercera reacción el CO2 se vuelve a combinar con el carbono del cementante, y el

ciclo de cementación vuelve a iniciarse.

En la cementación por el carbono con el cementante de carbono (cementación solida), el

cementante de carbón está compuesto por un 60% de carbón vegetal y 40% de carbonato

de bario (BaCO3), este ultimo constituyente se descompone por el calor, como la

mayoría de los carbonatos, y en presencia del carbón vegetal la temperatura de reacción

es bajada, siendo las reacciones:

BaCO3 + C = BaO + 2 CO

2CO + 3Fe = Fe3c + CO2

CO2 + BaO = BaCO3

El carbonato de bario se transforma en BaO, durante la operación de cementación y este

último se constituye en BaCO3, combinándose en el CO2 del aire. Este cementante se

encuentra en el mercado en forma de granulado. La cementación es un proceso de

endurecimiento de aceros, cuya superficie toma una dureza substancialmente más alta

124

que el centro de la pieza. Durante el proceso la composición química de las capas

superficiales es alterada, debido a la adición de carbono, nitrógeno o ambos.

Los procesos de cementación más usualmente son:

1. Cementación en sales (cianuro o carbonitrurado).

2. Cementación en caja (carburacion).

3. Cementación en gas.

4. Inducción.

5. Por flama.

7.5.1 Carburizado

Consiste en introducir carbono a una aleación ferrosa solida, calentando el metal, que se

pone en contacto con algún material carbonando, arriba de la temperatura crítica

superior 1200°C, y manteniéndola a esta temperatura. La profundidad de la penetración

del carbono, depende de la temperatura, del tiempo a temperatura y de la composición

del agente carburante.

Ya que el objetivo principal del carburizado es asegurar una superficie y un corazón o

centro relativamente suave y tenaz, solamente se usa este proceso en aceros con bajo

contenido de carbono (0.25% Máximo) con o sin elementos de aleación (Cromo, Níquel,

Manganeso, Molibdeno).

Para lograr aumentar el contenido de carbono en la superficie, es necesario calentar el

acero a 800-900°C dentro de un medio, al cual llamamos agente cementante. Después

del carburizado hay varios tratamientos térmicos que pueden usarse, pero todos ellos

incluyen el temple para endurecer la superficie. El método más simple consiste en

templar la pieza directamente desde la temperatura de carburación; este procedimiento

templa, tanto la superficie como el centro.

125

Otro procedimiento simple y el más usado, consiste en enfriar lentamente la temperatura

de carburización, recalentar arriba de la temperatura critica superior 1200°C y templar;

este procedimiento solo endurece la superficie.

7.5.2 Cianurado Este método consiste en la introducción de carbono y nitrógeno dentro de la capa

superficial del acero. Los aceros que serán tratados se sumergen en un baño de sales

fundidas de cianuro con carbonatos y cloruros (conteniendo de 30 a 95% de cianuro de

sodio) y después se templan en salmuera, agua o aceite mineral; la temperatura de

operación es generalmente del orden de 845-870°C. la profundidad del endurecimiento

está en función del tiempo, temperatura y composición del baño de cianuro; el tiempo de

inmersión es considerablemente más corto si se compara con el proceso de

carburización, ya que varía desde 15 minutos hasta 2 horas, pero la máxima penetración

de la dureza raras veces excede de 0.5 mm (0.02”) y el promedio es considerablemente

menor.

Los aceros también pueden cianurarse, calentándolos a la temperatura adecuada y

sumergiéndolos enseguida en una mezcla de cianuro en polvo o también

espolvoreándole la mezcla, templando inmediatamente después. La capa endurecida de

esta forma es extremadamente delgada.

7.5.3 Carbonitrurado

También se le conoce como cianurado gaseoso, cianurado en seco o nitro carburado.

Este es un proceso para endurecer la superficie de una pieza de acero en atmosfera de

gases carburizantes que contienen amoniaco en porcentajes controlados. El carburado se

usa generalmente como sustituto de bajo costo, del cianurado.

El proceso consiste en calentar el acero arriba de la temperatura crítica inferior 1200°C,

prácticamente hasta 925°C y templar después en aceite que es lo suficientemente rápido

para obtener la máxima dureza superficial; la penetración del carbono y el nitrógeno

varia con el tiempo y la temperatura usados.

126

7.5.4 Nitrurado Este proceso consiste en someter las piezas de acero maquinadas y ya tratadas

térmicamente, libre de descarburación, a la acción de medios nitrogenados, usualmente

gas de amonio a una temperatura de 510 a 565°C y se puede obtener durezas

considerablemente altas en la superficie. El efecto del endurecimiento se debe a la

absorción de nitrógeno, por lo que no es necesario un tratamiento térmico posterior. El

tiempo que toma esta proceso es largo, normalmente entre uno y dos días y la capa de

endurecimiento en estos lados es generalmente menor a 0.5 mm (0.02”). La dureza

máxima tampoco pasa de unas cuantas décimas de milímetro.

El Nitrurado líquido, hecho en baño de sales de sodio y potasio, emplea el mismo rango

de temperaturas que el nitrurado en gas. Se han desarrollados aleaciones especiales de

acero para ser nitruradas. Estas contienen elementos que se combinan fácilmente con el

nitrógeno para formar nitruros, siendo los más favorables, aluminio, cromo y vanadio. El

molibdeno y el níquel se usan en estos aceros para incrementar la resistencia y la

tenacidad el contenido de estos elementos usualmente es entre 0.20 a 0.50%, aumenta en

algunos casos en donde es necesario endurecer el centro, pudiendo llegar a 1.3%. Los

aceros inoxidables también pueden nitrurarse.

7.5.5 Inducción El endurecimiento de superficies por este proceso, se efectúa por medio de corrientes de

alta frecuencia que al pasar por la bobina que envuelve la pieza de acero a tratar,

calientan su superficie por inducción electromagnética. La profundidad del

calentamiento depende de la frecuencia de la corriente, (las frecuencias bajas dan mayor

penetración) y de la duración del ciclo de calentamiento. El tiempo que se requiere para

calentar el acero arriba de 1200°C es sorprendentemente corto, la pieza a templar es

enfriada por agua a partir de boquillas inyectores.

Es necesario tener métodos de control muy precisos sobre la operación, es decir, rango

de energía eléctrica, duración del ciclo de calentamiento y velocidad de enfriamiento.

127

Todas estas características están incorporadas al equipo de inducción y la operación es

generalmente automática.

7.5.6 Por flama Este proceso en el cual se calienta la capa superficial de acero, arriba de la temperatura

de transformación por medio de una flama de alta temperatura, templada después por

medio de agua aplicada por boquillas. En el proceso las flamas deben pegar

directamente a la superficie por templar, la velocidad de calentamiento es rápida aunque

no tanto como la que se obtiene por inducción.

Los aceros al carbón se templan en agua, pero en los aceros aleados el enfriamiento

puede ser desde muy rápido en agua hasta enfriamiento lento al aire, dependiendo de su

composición química. Cualquier tipo de acero puede templarse a la flama; para mejores

resultados el acero debe contener por lo menos 0.35% C, siendo lo usual entre 0.40 y

0.50.

El espesor de la capa de cementación esta en función de la temperatura y del tiempo de

duración. El porcentaje en carbono de la capa cementada depende del cementante

utilizado y de la temperatura de cementación. Por estas razones la temperatura máxima

para los aceros dulces es de 930°C, variando según sea el cementante utilizado.

Determinados cementantes no ceden mas de 0.7% y 0.8% de carbono a la temperatura

de 930°C, mientras que otros dan hasta 1.3 a a.4% de carbono. Este elevado contenido

de carbono en la capa cementada no es grave cuando se trata de cementar aceros sin

aleación, con la condición de que el porcentaje de carbono decrezca regularmente hacia

el núcleo, y que el acero sea tratado convenientemente al final del ciclo de cementación,

evitando la deposición de cementita en las juntas de los granos.

Las condiciones que deben controlarse para obtener los mejores resultados en la

cementación y temple de casi todos los aceros.

1. Limpieza de las piezas a tratar.

2. Temperatura de los hornos.

3. Velocidad de calentamiento.

4. Tiempo de permanencia.

5. Tiempo de difusión al carbono.

128

6. Cementación y actividad de los baños.

7. Velocidad de enfriamiento.

La limpieza de las piezas es importante ya que la presencia de los óxidos, escorias,

tierra, etc., dan como resultado: la contaminación de los baños llegando a producirse

descomposiciones y vencimiento de las sales y se pueden generar zonas blandas por la

mala difusión que se logra y escamas que son difíciles de retirar.

Para que las piezas logren una total transformación de su estructura, es necesario

mantenerlas por el tiempo suficiente en la temperatura de transformación. Este tiempo

puede calcularse empleando la siguiente fórmula:

Para secciones pequeñas: t = 20 + D/2 (en min)

Para secciones grandes: t = 0.5 + D/120 (en horas)

Donde D es el diámetro en mm.

El tiempo de permanencia de la pieza dentro del baño debe ser lo suficiente para la

difusión del carbono según se vio en la grafica de difusión del carbono.

La determinación de la temperatura es un factor muy importante en todo tratamiento

térmico, normalmente existen muchas formas de determinarla pero es indispensable

conocer las distintas coloraciones que toma un acero a diferentes temperaturas puesto

que esto permite dar un mejor control del tiempo de permanencia de una pieza. Este

método depende de la habilidad del operario. Durante muchos años ha sido utilizado en

la industria y es posible decir que un operador con práctica puede asegurar la

temperatura de calentamiento casi en forma exacta, siendo este en un principio práctico

tiene un alto grado de inseguridad. La medición de la temperatura se realiza bajo

principios científicos, utilizando aparatos llamados pirómetros. Dichos aparatos eliminan

totalmente el factor habilidad del operador, además la determinación es efectiva y no

relativa. La base de determinación de estos aparatos se rige en un principio eléctrico que

dice: “que al calentar un alambre y poner un medidor de corriente esta, registra un cierto

flujo de esta, a medida que se calienta el alambre el flujo de corriente tiende a

incrementarse”.

Los alambres normalmente son de dos tipos distintos unidos por un extremo, siendo los

más utilizados para registrar la temperatura, los de Hierro que permite temperaturas de

hasta 800°C, níquel y cromo (110°C), Platino y Platino-rodio (1600°C). Al hablar de la

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concentración del baño nos referimos al porcentaje de cianuro presente en el baño, para

lo cual se recomiendan porcentajes entre el 6-14%. Concentraciones menores causan

mala cementación las mayores pueden producir reacciones explosivas sobre todo si no

se emplea un enfriamiento en sales.

Relativo a la actividad del baño, se dice que debe mantener un potencial de carbono

adecuado. Podríamos tener un buen porcentaje de CN, y sin embargo un bajo potencial

de carbono. El potencial de carbono se recomienda entre 0.7-1.0%. Velocidad de

enfriamiento, es sabido que el proceso de temple consiste en calentar la pieza hasta

temperatura critica y luego enfriarla rápidamente. Para lograr un enfriamiento, existen

varios medios desde el agua simple, con aditivos, aceites, sales y metales fundidos. En

cualquier caso el baño debe ser el adecuado para cada tipo de material en cuestión,

manteniendo una temperatura adecuada. Los baños y temperaturas incorrectos pueden

ocasionar, desde la aparición de zonas blandas (dureza en general baja), hasta grietas.

Es por lo tanto necesario seguir ciertas indicaciones para el enfriamiento de las piezas

como son:

1. Elegir el medio adecuado.

2. Mantener la temperatura adecuada.

3. Evitar la contaminación de estos baños.

4. Vigilar su envejecimiento.

5. Agitar vigorosamente las piezas que se van a enfriar para evitar la formación de

burbujas.

6. Si es posible el baño debe estar en movimiento (Agitación).

7.6 Hornos utilizados para el tratamiento térmico

El horno es el elemento principal de los tratamientos térmicos es un instrumento

constituido por una caja susceptible de calentamiento y que permite el control y la

regulación del tiempo, de la temperatura, de la atmósfera, y de las velocidades de

calentamiento y de enfriamiento. Se pueden clasificar a partir del proceso de

calentamiento, por la atmósfera o por la solera del horno.

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7.6.1 Horno de gas

Los hornos de gas pueden ser del tipo de fuego directo, en el cual los productos de la

combustión entran a la cámara de calentamiento. Alternativamente, pueden ser de

combustión indirecta, de manera que la cámara del horno quede aislada de los productos

de la combustión. Un tercer tipo de horno calentado por gas, es el de tubos radiantes, en

el cual un gas en combustión dentro de tubos metálicos, que se proyecta dentro de la

cámara de calentamiento, y que constituyes la fuente de calor radiante. El calentamiento

por gas tiene como ventaja la economía y como inconveniente la dificultad del control

de la temperatura. La temperatura alcanzada por el horno suele llegar a 1100 ºC y el

control de la atmósfera es muy difícil por ello se emplea poco este proceso de

calentamiento para tratamientos térmicos.

7.6.2 Horno de resistencia eléctrica

Es el más usado para los hornos de tratamiento térmicos que aprovecha el calor

generado según la ley de joule. La disposición de la resistencia da nombre a los hornos,

que son de tipo mufla o caja, la resistencia esta instalada a lo largo de las paredes

interiores y por lo tanto en contacto con las paredes del horno. El material de la

resistencia suele ser nicrom (Níquel 70%, Cromo 30%), que alcanza temperaturas de

1100 ºC y de aleación de carburo de silicio que alcanza temperaturas de 1300 ºC. Para

lograr temperaturas superiores se utilizan resistencias de molibdeno (1800 ºC), de

tungsteno (2500 ºC), y de grafito (2700 ºC). Para temperaturas aun mayores se utilizan

los hornos de inducción (3000 ºC).

7.6.3 Horno según su atmósfera

En tratamientos térmicos se entiende por atmósfera la masa gaseosa encerrada dentro del

horno que está en contacto con la pieza a tratar las atmósfera pueden tener carácter

neutro, oxidante o reductor el papel desempeñado por la atmósfera controlada es doble,

por una parte evita que se produzcan reacciones perjudiciales como la oxidación y la

descarbonización de las piezas. Por otra parte permite realizar las acciones previstas a

saber, la reducción de óxidos superficiales y la eliminación de gas sean absorbidas.

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7.6.4 Horno en vacio

Se utiliza para sintetizar carbonos cementados y para el tratamiento térmico especial de

aceros aleados se consiguen mediante bombas mecánicas y de difusión de aceite o

mercurio. Las atmósferas neutras de argón helio y nitrógeno apenas se emplean debido

al precio de estos gases y a las trazas de oxigeno que suelen contener. Las atmósferas

carburantes o descarburantes obtenidas por combustión o disociación de mezclas de

hidrocarburos (metano, propano, butano, gas natural), con aire estas suelen contener N2,

CO, H2, CO2, y pequeñas cantidades de vapor de agua.

7.6.5 Hornos de atmósfera del tipo de generador Exotérmico o endotérmico

En el generador exotérmico de introducen hidrocarburos y aire secos limpios

convenientemente dosificados se queman en la cámara de combustión se filtran y se

separan en del agua. El gas seco resultante se introduce al horno de tratamiento térmico.

La mezcla que se introduce al generador endotérmico es parecida a la inyectada en el

exotérmico pero el generador endotérmico no tiene quemador sino los gases reaccionan

entre si en un catalizador calentado exageradamente

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REFERENCIAS

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2. Tippens, Paul E, Física: conceptos y aplicaciones, México, McGraw Hill, 1994

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Editores, tercera edición, julio de 1999

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Prentice-Hall, cuarta edición 2000 España

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8. Kittel C., Introducción a la física del estado sólido, Editorial Reverte S.A. tercera

edición 1995

9. Hinojosa Moisés, Estructuras de los sólidos amorfos, U.N.A.L. Ingeniería

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12. Billmeyer Fred Wallace, Ciencia de los polímeros Editorial Reverte S.A, 2004

13. Smith W. Ciencia e Ingeniería de los materiales 3ra edición Mc Graw Hill. 2004

14. Apraiz BarreiroJ., Tratamientos Térmicos de los Aceros 8va Edición Dossat

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http://www.textoscientificos.com/polimeros

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http://www.mitecnologico.com/Main/EstructuraPropiedadesDeCeramicos

www.arqhys.com/.../ceramica-materiales.html