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MATERIALES METÁLICOS.

0. INTRODUCCIÓN. A lo largo de la historia, desde su aparición en la Tierra, el ser humano se ha ayudado de instrumentos para modificar la naturaleza a su favor. En este sentido, la historia del hombre es una historia de la técnica. Desde muy temprano el hombre utilizó los materiales disponibles a su alrededor: palos, piedras, pieles, huesos… para mejorar su hábitat, fabricar herramientas y armas, etc. pero sin modificar sus propiedades estructurales. No es esto lo que ocurre con los metales. La mayor parte de los metales requieren, para ser utilizados, de una compleja elaboración. En este sentido, la aparición de la metalurgia es un hecho reciente, desde el punto de vista histórico, pero de tal importancia para el ser humano que no sería posible entender sin él las sociedades contemporáneas. En 1836 el danés C. J. Thomsen expone un sistema de clasificación de los materiales prehistóricos, proponiendo que se dividan según provengan de la Edad de Piedra, de la Edad del Bronce o de la Edad del Hierro. Hoy en día, dicha clasificación sigue vigente. Etapa Premetalúrgica El hombre prehistórico se vio atraído desde épocas tempranas por los minerales metálicos, por su singularidad o belleza, como en el caso de la malaquita (mineral de cobre), y en otros por su capacidad para utilizarlos en la decoración del cuerpo, tejidos o diversas superficies, caso del ocre (palabra genérica que designa diferentes óxidos de hierro), muy frecuentemente asociado a yacimientos paleolíticos. El primer metal que se trabajó, sin duda por la facilidad de hacerlo, fue el cobre nativo. Las primeras evidencias de su trabajo las hallamos en el Tell de Sialk (Irán) y en Cayönü Tepesi (Anatolia), en tiempos del VIII al VII Milenio a C. El cobre nativo se puede trabajar en frío, por martillado, pero también se puede calentar (a una temperatura de 200 a 300º C), para aumentar su maleabilidad y disminuir su fragilidad. Sin embargo, la fusión del cobre requiere de una temperatura de 1083º C, lo que no está claro si se consiguió antes de la reducción del mineral, que no necesita temperaturas tan elevadas. Lo cierto es que el cobre, nativo o mineral, se fundió y se introdujo en moldes ya en el V Milenio a C., tal como aparece en Susa. Otros metales trabajados de manera premetalúrgica son el oro, que es fácil de trabajar por martillado a partir de las pepitas; el platino y la plata nativa, muy escasa en estado natural. Tradicionalmente, se ha considerado la aparición de la metalurgia como el hito que marca un antes y un después en la prehistoria. Edad del Bronce Aparecen las aleaciones, siendo la más importante la del cobre con estaño, es decir el bronce. El estaño adquiere su valor metalúrgico por su asociación con el cobre. Añadiendo al cobre un 10% de estaño se obtienen varias ventajas en el material resultante como es disminuir la temperatura de fusión la obtención de un metal fundido de una gran fluidez y, por supuesto, la mayor dureza del bronce que del cobre. Sin embargo un exceso de estaño, más de un 13%, vuelve al bronce quebradizo lo que lo hace inservible para objetos utilitarios.

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La imposición del bronce hace que las armas sean cada vez más numerosas y más útiles para la guerra. El bronce conoció enormes éxitos con la aparición de los primeros grandes imperios como los orientales, el del Egipto faraónico o el de la Creta minoica.

Edad del Hierro Los primeros en entrar en la Edad del Hierro fueron los hititas. Aunque el trabajo del hierro es el más difícil de realizar de entre todos los metales, las posibilidades que ofrece, su mayor eficacia y la dificultad de abastecerse de cobre y estaño hicieron que el hierro substituyera a las labores asociadas al cobre de manera bastante rápida.

Estas circunstancias estimularon el perfeccionamiento de la siderurgia, que llevaron a que en épocas prehistóricas se consiguieran temperaturas de hasta 1.300º C. El mineral de hierro es muy abundante en la tierra, supone el 5% del peso de la corteza terrestre, por lo que su aprovisionamiento no es difícil, pero sin embargo, son necesarios combustibles de una alta capacidad calorífica para su reducción, generalmente se utilizó el carbón vegetal.

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1. LA ESTRUCTURA METÁLICA. Según el diccionario de la Real Academia, los metales “son materiales con alta conductividad térmica y eléctrica”. Sin embargo, estas características no son suficientes para definir este grupo de materiales, por lo que se debe ampliar la definición a: Grupo de elementos químicos que presentan todas o gran parte de las siguientes propiedades físicas:

- Estado sólido a temperatura normal, excepto el mercurio que es líquido. - Opacidad, excepto en capas muy finas. - Buenos conductores eléctricos y térmicos. - Brillantes, una vez pulidos, y estructura cristalina en estado sólido.

1.1. El enlace metálico Átomo. “Hipótesis de Dalton”: Cada elemento está constituido por partículas idénticas, indivisibles químicamente. Un átomo es eléctricamente neutro. Ahora bien, debido a fuerzas externas, puede perder o ganar electrones procedentes de otros átomos. En el caso de que gane o acepte electrones, se queda con exceso de carga negativa (es decir tiene más electrones que protones), por el contrario, cuando pierde o cede electrones, se queda con exceso de carga positiva (tiene más protones que electrones). En ambos casos, dicho átomo con exceso de carga (positiva o negativa) se comportará como si fuera él mismo una carga susceptible de moverse, siendo atraído o repelido, según el caso, por otras cargas. Molécula: Cuando los átomos se ligan entre sí forman conjuntos que se llaman moléculas (es la parte más pequeña de un cuerpo) Estructura de los átomos. Informe Rutherford.1911. Todo átomo está constituido por un núcleo central cargado positivamente, alrededor del cual se encuentran un cierto número de electrones cuya suma de cargas es igual al valor de la carga positiva del núcleo.

(-e) electrón. (Ze) Nº atómico x carga elemental (e).

Hidrógeno (1) ................... Uranio (92) .................................... Kurchatovio (104). Modelo atómico Bohr. 1913. Los electrones atómicos pueden encontrarse en niveles de energía bien determinados y pueden variar de nivel emitiendo o absorbiendo radiaciones electromagnéticas (fotón). En sus primeros esfuerzos para explicar la estructura electrónica de los metales, los científicos esgrimieron las propiedades de su buena conductividad térmica y eléctrica para apoyar la teoría de que los metales se componen de átomos ionizados, cuyos electrones libres forman un 'mar' homogéneo de carga negativa. La atracción electrostática entre los iones positivos del metal y los electrones libres, se consideró la responsable del enlace entre los átomos del metal. Así, se pensaba que el libre movimiento de los electrones era la causa de su alta conductividad eléctrica y térmica.

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En 1928, el físico alemán Arnold Sommerfeld sugirió que los electrones en los metales se encuentran en una disposición cuántica en la que los niveles de baja energía disponibles para los electrones se hallan casi completamente ocupados. En el mismo año, el físico suizo Félix Bloch, y más tarde el físico francés Louis Brillouin, aplicaron esta idea en la hoy aceptada 'teoría de la banda' para los enlaces en los sólidos metálicos. En esta teoría se dice que los grupos de electrones residen en bandas, que constituyen conjuntos de orbitales. Cada banda tiene un margen de valores de energía, valores que deberían poseer los electrones para poder ser parte de esa banda. La banda con mayor energía en un metal no está llena de electrones, dado que una característica de los metales es que no poseen suficientes electrones para llenarla. La elevada conductividad eléctrica y térmica de los metales se explica así por el paso de electrones a estas bandas con defecto de electrones, provocado por la absorción de energía térmica. El hecho pues, de que los electrones de un átomo tengan diferentes niveles de energía, nos lleva a clasificarlos por el nivel energético (o banda energética) en el que se encuentra cada uno de ellos. Banda de Valencia

Nivel de energía en el que se realizan las combinaciones químicas. Los electrones situados en ella, pueden transferirse de un átomo a otro, formando iones que se atraerán debido a su diferente carga, o serán compartidos por varios átomos, formando moléculas.

El átomo de Sodio (Na) tiene 11 electrones, 2 en la primera capa, 8 en la segunda y 1 en la tercera, y el Cloro (Cl) tiene 17 electrones, 2 en la primera, 8 en la segunda y 7 en la tercera. Debido a que todos los átomos tienden a tener 8 electrones en la última capa: el Sodio cederá 1 electrón al Cloro con lo que el primero se quedará con 8 electrones en su ahora última capa, en cambio el Cloro aceptará ese electrón pasando su última capa de tener 7 electrones a 8. Así pues. el átomo de Sodio que ha perdido un electrón se ha transformado en un ión positivo (Na -> Na+), y el Cloro que lo ha ganado se transforma en un ión negativo: (Cl -> Cl-).

Ambos se atraerán y formarán la molécula de Cloruro Sódico (Cl Na).

Banda de conducción

Nivel de energía en el cual los electrones están aún más desligados del núcleo, de tal forma que todos los electrones (pertenecientes a esa banda) están compartidos por todos los átomos del sólido, y pueden desplazarse por éste formando una nube electrónica.

Cuando un electrón situado en la banda de valencia se le comunica exteriormente energía, bien sea eléctricamente, por temperatura, luz, etc. puede (al ganar energía) saltar a la banda de conducción, quedando en situación de poder desplazarse por el sólido.

1.2. La estructura metálica Un metal está internamente ordenado en celdas cristalinas como por ejemplo la celda cúbica simple, y otras de mayor complejidad como la celda cúbica centrada en el cuerpo. Cuando el metal fundido solidifica, en varios puntos se comienzan a reunir moléculas y forman un núcleo ordenado que crece en todas direcciones.

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Las agrupaciones de celdas que comienzan a solidificar, crecen tridimensionalmente hasta toparse unas con otras, deteniendo el crecimiento. Esto produce zonas en las cuales la red cristalina está ordenada (granos), y zonas denominadas límites de grano o fronteras de grano, en donde no existe orden alguno. Micrografía obtenida con un microscopio electrónico, donde se aprecian granos y sus fronteras. Para observar esto en un microscopio, se pule una superficie plana, lo que corta los granos en cualquier dirección. Para mejorar la visualización se aplica sobre la superficie una solución ácida denominada ataque, la cual corroe los granos en mayor o menor grado, dependiendo de su orientación cristalina. Metalografía con granos de acero ampliada 175 veces. 2. PROPIEDADES GENERALES. 2.1. Físicas. 2.1.1. Propiedades Térmicas: Conductividad térmica; coeficiente de dilatación. Las propiedades térmicas de los materiales están relacionadas con los fenómenos de vibración de los átomos integrantes del material (cristalino o amorfo) al moverse alrededor de sus posiciones de equilibrio según las oscilaciones energéticas a que están sometidos. La transmisión de la energía a través de los materiales tiene lugar por medio de cuantos de energía denominados fonones, similares a los fotones de energía luminosa, y físicamente equivalentes: E= h.v E es el fonón.

h la constante de Plank. v la frecuencia de vibración del oscilador sólido.

El intercambio de calor entre los cuerpos y sustancias puede hacerse por: Conducción. Se realiza directamente, molécula a molécula. En los materiales sólidos, especialmente los cristalinos, la transmisión de ondas de energía al recorrer la red, ponen en vibración los nudos de la malla. Convección. Son desplazamientos de las masas calientes (gases y líquidos) hacia otras zonas al perder densidad por efectos del calentamiento. El espacio liberado es ocupado por masas frías que al calentarse tienden a desplazarse de nuevo, creándose un movimiento continuado y giratorio. Radiación. Es un intercambio energético de un cuerpo a otro (a diferente temperatura) a través de un medio permeable a las radiaciones infrarrojas. La ganancia de calor por radiación depende del coeficiente de absorción, que es función del color (los oscuros absorben más que los claros).

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2.1.1.1. Conductividad Térmica. Conductividad térmica es la capacidad que tiene un material para transmitir a su través el calor. Es decir, cuando una cara de un material está expuesta a una fuente térmica, el calor o frío se transmite a través de él hasta aparecer en la cara opuesta, a una velocidad que depende de la composición y estructura del material. “Capacidad Calorífica”, ( Cv ), de un sólido a volumen constante, se define como la derivada de la energía con respecto a la temperatura. Cv = ( dQ / dt )v El incremento de calor que experimenta el sólido se invierte exclusivamente en aumentar su energía interna. “Calor específico” es la capacidad calorífica por unidad de masa. Es decir, la cantidad necesaria de calor que hay que aplicar a una unidad de masa para que su temperatura se eleve un grado centígrado. La capacidad de los materiales de transmitir el calor por conducción se mide mediante el coeficiente de conductividad térmica (w/m.oC): cantidad de calor que pasa en la unidad de tiempo a través de la unidad de superficie de una muestra de material de extensión infinita caras plano-paralelas, de espesor unidad, cuando entre sus caras se establece una diferencia de temperatura de un grado centígrado. 2.1.1.2. Efectos térmicos. Al incrementarse la temperatura de un sólido éste aumentará su volumen o extensión. Esto es debido a que entre átomos contiguos del sólido se producen fuerzas atractivas y repulsivas que se anulan en la posición de equilibrio, para la cual es mínima la energía potencial. Al aplicarle calor y, por lo tanto, aumentar el estado vibratorio de las partículas, se modifica la distancia de equilibrio (parámetro) entre ellas. Fusión. Si la cantidad de energía alcanza un valor en que se rompe dicha estructura. Depende de las fuerzas de enlace interatómico y es inversamente proporcional a su capacidad de dilatación. Mientras las alteraciones volumétricas de un sólido debidas al calor puedan desarrollarse libremente, éste se dilatará o contraerá realizando sus fuerzas moleculares trabajos internos, pero tan pronto se oponga un obstáculo a este libre juego, dichas fuerzas originan trabajos externos a veces considerables, capaces de variar la morfología de las piezas y comprometer la estabilidad de las construcciones de que forman parte. (Ver Tema 1, coeficiente de dilatación térmica). El aumento de volumen implica movimientos y empujes que pueden alterar el equilibrio de una estructura. Además de ese efecto, hay materiales cuya resistencia experimenta cambios considerables por efecto térmico, el hierro por ejemplo, queda prácticamente desposeído de resistencia en un incendio a 800° C, deformándose y doblándose aparatosamente.

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2.1.2. Propiedades Eléctricas: Resistencia eléctrica. La conductividad eléctrica es la capacidad de conducir la corriente eléctrica cuando se aplica una diferencia de potencial. Cada capa electrónica puede tener un número determinado de electrones. En el caso de la última capa, que es la que origina la valencia o conducción, este número es de ocho, y todos los átomos tienden a completar su última capa con ocho electrones. Hay sustancias que tienen más electrones en la Banda de Conducción que otras, o que en un mismo material, cuando las condiciones exteriores cambian, se comporta de diferente manera. Por ejemplo, un átomo que tenga siete electrones en la última capa, tendrá fuerte tendencia a captar uno de algún otro átomo cercano, convirtiéndose en un anión. En cambio, un átomo que tenga sólo un electrón en su última capa, tendrá tendencia a perderlo, quedándose con los ocho de la penúltima capa, y convirtiéndose en un catión. Estas posibilidades dependen del tipo de átomo, es decir del tipo de sustancia (hay 103 átomos distintos conocidos), y dan lugar a las combinaciones químicas o a la conducción eléctrica. La propiedad que poseen algunas sustancias de tener electrones libres (en la Banda de Conducción), capaces de desplazarse, se llama conductividad. Estos materiales serán capaces, baja la acción de fuerzas exteriores, de "conducir" la electricidad, ya que existe una carga eléctrica (los electrones) que pueden moverse en su interior. Basándose en el criterio de mayor o menor conductividad, se pueden clasificar los materiales en tres grupos: CONDUCTORES

Son aquellos materiales con gran número de electrones en la Banda de Conducción, es decir, cualquiera que ofrezca poca resistencia al flujo de electricidad.

La diferencia entre un conductor y un aislante, que es un mal conductor de electricidad o de calor, es de grado más que de tipo, ya que todas las sustancias conducen electricidad en mayor o en menor medida. Un buen conductor de electricidad, como la plata o el cobre, puede tener una conductividad mil millones de veces superior a la de un buen aislante, como el vidrio o la mica.

Todos los metales son conductores, unos mejores que otros. Buenos conductores son: la plata, el cobre, el aluminio, el estaño. Malos conductores son: el hierro, el plomo.

SEMICONDUCTORES

Materiales poco conductores cuyos electrones pueden saltar fácilmente de la Banda de Valencia a la de Conducción al comunicarles energía exterior.

El silicio o el germanio tienen un número limitado de electrones libres. Se comportan como semiconductores, y son la materia básica de los transistores.

AISLANTES O DIELECTRICOS

Son aquellos cuyos electrones están fuertemente ligados al núcleo y por tanto, son incapaces de desplazarse por el interior y, consecuentemente, conducir.

El aislante perfecto para las aplicaciones eléctricas sería un material absolutamente no conductor, pero ese material no existe. Los materiales empleados como aislantes siempre conducen algo la electricidad.

Buenos aislantes son por ejemplo: la mica, la porcelana, el poliéster, el aire.

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2.2. Mecánicas. Definen el comportamiento del material frente a esfuerzos exteriores que actúan sobre él. 2.2.1. Ensayo de tracción.

El clásico ensayo de tracción durante mucho tiempo fue el único empleado para juzgar la calidad de los aceros de construcción:

Se somete el material a dos fuerzas con la misma magnitud y dirección, pero con sentidos opuestos. Para ello se coloca la probeta sujeta por ambos extremos por mordazas, una fija y otra móvil. Se procede a medir la carga mientras se aplica el desplazamiento de la mordaza móvil. La máquina de ensayo impone la deformación desplazando el cabezal móvil a una velocidad seleccionable. La celda de carga conectada a la mordaza fija entrega una señal que representa la carga aplicada, las máquinas poseen un plotter que dibuja en un eje el desplazamiento y en el otro eje la carga leída.

Las curvas tienen una primera parte lineal llamada zona elástica, en donde la probeta se comporta como un resorte: si se quita la carga en esa zona, la probeta regresa a su longitud inicial. Gráfico obtenido en un ensayo de tracción para un acero. En la zona elástica las deformaciones son proporcionales a las cargas :

F = K (L - L0) F: fuerza K: cte del resorte L: longitud bajo carga L0: longitud inicial

y se define como:

- Límite elástico teórico: Carga máxima por unidad de sección que al cesar de actuar no produce deformaciones permanentes en el material.

- Límite de proporcionalidad: Carga máxima por unidad de sección para la cual la

carga es proporcional a los alargamientos.

- Módulo de elasticidad: Relación entre las cargas y deformaciones en el período elástico de proporcionalidad. Es constante en cada material y permite conocer los alargamientos elásticos que experimenta en función de las cargas.

También se define como la carga que produciría un alargamiento de un 100% si para esta carga no llegara a romperse la probeta.

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Cuando la curva se desvía de la recta inicial, el material alcanza el punto de fluencia, desde aquí el material comienza a adquirir una deformación permanente. A partir de este punto, si se quita la carga la probeta quedaría más larga que al principio. Comienza la zona plástica del ensayo de tracción.

El valor límite entre la zona elástica y la zona plástica es el punto de fluencia y la fuerza que lo produjo se designa como:

F = Fyp Luego de la fluencia sigue una parte inestable, que depende de cada acero, para llegar a un máximo en F = Fmáx. Entre F = Fyp y F = Fmáx la probeta se alarga en forma permanente y repartida, a lo largo de toda su longitud. En F = Fmáx la probeta muestra su punto débil, concentrando la deformación en una zona en la cual se forma un cuello. La deformación se concentra en la zona del cuello, provocando que la carga deje de subir. Al adelgazarse la probeta la carga queda aplicada en menor área, provocando la ruptura. Forma de la probeta al inicio, al momento de llegar a la carga máxima y luego de la ruptura.

Para expresar la resistencia (esfuerzo) en términos independientes del tamaño de la probeta, se dividen las cargas por la sección transversal inicial Ao , obteniéndose:

Resistencia a la fluencia: Re = Fyp / A0

Resistencia a la tracción: Rm = Fmáx / A0 (Unidades : Kg/mm2) Considerando una probeta cilíndrica - Probeta al inicio del ensayo indicando las medidas iniciales necesarias.

Ao =

- Analizando las probetas después de rotas, es posible medir dos parámetros: el alargamiento final Lf y el diámetro final Df, con el que se obtiene el área final Af. Estos parámetros se expresan como porcentaje de reducción de área %RA (estricción) y porcentaje de alargamiento entre marcas %∆ L (deformación): % RA = x 100 % ∆ L = x 100. Ambos parámetros son las medidas normalizadas que definen la ductilidad del material, que es la capacidad para alcanzar grandes deformaciones sin romperse. La fragilidad es el concepto contrario de la ductilidad. Un material poco dúctil es frágil.

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El área bajo la curva fuerza (F) - desplazamiento (∆L) representa la cantidad de energía que la probeta alcanzó a resistir. A mayor energía, el material es más tenaz. Gráfico Esfuerzo-Deformación de un acero.

Los diagramas esfuerzo-deformación de un mismo material pueden producir resultados diferentes de acuerdo con la temperatura de la probeta y la velocidad de carga. Sin embargo, es posible distinguir algunas características comunes a los diagramas de varios grupos de materiales y dividirlos en dos amplias categorías: materiales dúctiles y materiales frágiles. Los metales maleables presentan fuertes estricciones antes de su rotura por tracción, la fundición y otras estructuras cristalinas no permiten deformaciones y la rotura es inmediata. También las estructuras fibrosas rompen bruscamente sin previo aviso. Normativa: Tracción de Aceros...........................................UNE 10002-1

Tracción de Aluminios...................................... UNE 7256-72 Por lo tanto, del ensayo de tracción se pueden obtener medidas de características como:

- Ductilidad, o posibilidad de deformarse, en hilos, sin que se rompa o astille. Cuanto más dúctil es un material, más fino es el alambre o hilo, que podrá ser estirado mediante un troquel para metales, sin riesgo de romperse.

- Fragilidad, como se ha dicho, concepto contrario a la ductilidad,

- Tenacidad, concepto que relaciona la energía aplicada con la deformación obtenida.

Sin embargo, un ensayo, también característico para la medida de la tenacidad es el ensayo de resiliencia, mediante el cual las probetas se rompen de un solo golpe y se mide la energía absorbida para producir la rotura. El ensayo Charpy permite calcular cuánta energía logra disipar una probeta al ser golpeada por un pesado péndulo en caída libre. Se mide en Julios y éstos pueden diferir fuertemente a diferentes temperaturas.

Péndulo para ensayos de resiliencia. Norma EN-10045-1.

La probeta posee un entalle estándar para facilitar el inicio de la fisura. Después de golpear la probeta, el péndulo sigue su camino alcanzando una cierta altura que depende de la cantidad de energía disipada al golpear. Las probetas que fallan en forma frágil se rompen en dos mitades, en cambio aquellas con mayor ductilidad se doblan sin romperse. Este comportamiento depende de la temperatura y la composición química, obligando a realizar el ensayo con probetas a distinta temperatura, para evaluar la existencia de una "temperatura de transición dúctil-frágil".

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2.2.2. Fatiga. Capacidad de soportar una fuerza o presión continuadas. Cuando se sabe que las piezas metálicas trabajarán bajo la acción de esfuerzos intermitentes, y como ampliación de los ensayos estáticos de tracción y de los dinámicos de resistencia se realizan ensayos de fatiga.

- Sirven para determinar la carga máxima que puede resistir un material durante un número indefinido de ciclos sin romperse.

- La rotura por fatiga se produce bajo la acción de cargas muy inferiores a la resistencia a la tracción de un material e inferiores a su límite elástico. Rompe sin avisar → sin deformaciones previas que lo avisen.

El ensayo consiste en hacer girar la probeta por medio de un motor, mientras se le aplica una carga conocida. La probeta queda sometida a una flexión alternada, que se traduce en que un punto cualquiera de la probeta queda sometido a un ciclo de cargas que va de tracción a compresión. Esto produce fisuras que se van propagando lentamente, reduciendo el área hasta un punto tal en que la probeta no pueda resistir la carga aplicada y se rompe.

La rotura es muy peculiar, presentando en la fractura dos zonas:

- Partes oscuras donde ha existido frotamiento de una cara contra otra → zona dónde comienza a fallar el material.

- Estructura limpia y cristalina correspondiente a la parte que rompe al final. 2.2.3. Soldabilidad.

Propiedad que tienen algunos metales por las que dos piezas de los mismos, en contacto, pueden unirse íntimamente formando un conjunto rígido. Soldadura es el procedimiento por el cual dos o más piezas de metal se unen por aplicación de calor, presión, o una combinación de ambos, con o sin al aporte de otro metal, llamado metal de aportación, cuya temperatura de fusión es inferior a la de las piezas que se han de soldar. Al enfriar, esta unión será capaz de resistir a todos los movimientos de alargamiento, torsión y doblado, sin que se produzca alteración de dicha unión con el tiempo y bajo las condiciones para las cuales se ha efectuado la soldadura, presión, temperatura, etc. La mayor parte de procesos de soldadura se pueden separar en dos categorías:

- Soldadura por presión. Se realiza sin la aportación de otro material mediante la aplicación de la presión suficiente y normalmente ayudada con calor. Es el procedimiento de soldadura de fragua, practicado durante siglos por herreros y artesanos en el cual los metales se calientan en un horno y se unen a golpes de martillo.

- Soldadura por fusión. Realizada mediante la aplicación de calor a las superficies, que se funden en la zona de contacto, con o sin aportación de otro metal.

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En cuanto a la utilización de metal de aportación se distingue entre:

- Soldadura ordinaria o con aportación. Se añade un metal de aportación que se funde y adhiere a las piezas base, por lo que realmente éstas no participan por fusión en la soldadura.

- Soldadura autógena. Se realiza sin añadir ningún material. Según la temperatura de fusión del metal de aportación empleado:

- Soldadura blanda. Utiliza metales de aportación cuyo punto de fusión es menor a 450 ºC.

- Soldadura dura. Utiliza metales con temperaturas de fusión superiores. El tipo de soldadura más adecuado para unir dos piezas de metal depende de las propiedades físicas de los metales, de la utilización a la que está destinada la pieza y de las instalaciones disponibles. 2.2.3.1. Algunas observaciones sobre los procesos de soldadura. En una soldadura con aportación, para conseguir la unión mediante la fusión de la aleación, hay que conseguir que cuando ésta licue, fluya mojando al metal de tal forma que lo cubra completamente. Esta adherencia depende de la limpieza que haya entre la capa externa del metal y la parte de la aleación fundida que cubre a éste. Para obtener una superficie limpia del metal se pueden emplear fundamentalmente dos métodos:

- La limpieza mecánica. Con cepillos o estropajos metálicos, mediante fricción, se eliminan las impurezas y el óxido de metal de la superficie, dejando a éste libre de cualquier impedimento para que la aleación funda libremente sobre él. Durante este proceso se raya ligeramente la superficie, produciendo surcos microscópicos, lo cual aumenta el área de contacto favoreciendo la adhesión de la aleación sobre el metal.

- La limpieza química consiste en productos químicos a base de ácidos o productos que reaccionan con el óxido del metal, eliminándolo de la superficie del mismo

¿Qué función tiene el decapante o flux durante el calentamiento? La superficie del metal limpia de impurezas, óxido o residuos, hay que protegerla para que no se forme un nuevo óxido durante el calentamiento. Se aplica un decapante o “flux” que impide la formación del óxido durante el calentamiento y, por consiguiente, hace que las superficies estén limpias durante todo el proceso de la soldadura.¿Por qué hay que evitar el sobrecalentamiento? Es importante no permitir que durante el proceso de la soldadura haya “sobrecalentamiento” que origine la destrucción del decapante o flux, por lo que éste no podría disolver los óxidos que se formasen durante el calentamiento y seguidamente eliminarlos. También puede ocurrir que el metal pierda alguna de las características durante el proceso de soldadura (el cobre pierde sus propiedades mecánicas sí es sobrecalentado). Para evitar este “sobrecalentamiento” es aconsejable comprobar continuamente si se ha alcanzado la temperatura de fusión de la aleación, acercando la misma a la zona caliente a unir, o bien, utilizar una mezcla de decapante y aleación en polvo. 2.2.3.2. Soldadura ordinaria o de aleación. Es el método utilizado para unir metales con aportación de aleaciones metálicas que se funden. Se suele diferenciar entre soldaduras duras y blandas, según el punto de fusión y resistencia de la aleación utilizada.

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Los metales de aportación de las soldaduras blandas son aleaciones de plomo y estaño y, en ocasiones, pequeñas cantidades de bismuto. En las soldaduras duras se emplean aleaciones de plata, cobre y cinc (soldadura de plata) o de cobre y cinc (latonsoldadura). Para aplicar este tipo de soldadura primeramente se limpian las superficies de los metales (con medios mecánicos) y se recubren, por lo general, con una capa de resina o bórax. Esta limpieza química ayuda a eliminar el óxido de los metales. Posteriormente se calientan las superficies con un soldador o soplete, y cuando alcanzan la temperatura de fusión del metal de aportación se aplica éste, que corre libremente y se endurece cuando se enfría. 2.2.3.3. Soldadura por fusión o autógena. Este tipo agrupa muchos procedimientos de soldadura en los que tiene lugar una fusión entre los metales a unir, con o sin la aportación de un metal, por lo general sin aplicar presión y a temperaturas superiores a las que se trabaja en las soldaduras ordinarias. Existen diferentes procedimientos: - Soldadura por gas.

La soldadura por gas o con soplete utiliza el calor de la combustión de un gas, que se aplica a las superficies de las piezas y a la varilla de metal de aportación. Este sistema tiene la ventaja de ser portátil ya que no necesita conectarse a la corriente eléctrica. Según la mezcla gaseosa utilizada se distingue entre soldadura oxiacetilénica (oxígeno/acetileno) y oxihídrica (oxígeno/hidrógeno), entre otras.

- Soldadura por arco.

Consiste en crear un arco eléctrico entre uno o varios electrodos aplicados a la pieza, generando el calor suficiente para fundir el metal. Es rápida debido a la alta concentración de calor que se genera. En algunos casos se utilizan electrodos fusibles (metales de aportación), en forma de varillas recubiertas de fundente o desnudas. Uno de los principales problemas en soldadura, es el comportamiento de los metales ante la combinación de los agentes atmosféricos y los cambios en su temperatura. Por esta razón, a veces su utiliza la atmósfera de un gas para proteger la fusión del aire de la atmósfera. Según la naturaleza del gas utilizado se distingue entre: Soldadura MIG: Soldadura de metales con gas de protección inerte (argón y Helio). Este procedimiento se usa para la soldadura de aleaciones de cobre, aluminio, y otras aleaciones sensibles a la oxidación... Soldadura MAG: Soldadura de metales con un gas de protección activo (dióxido de carbono). Se usa básicamente para la soldadura de los aceros al carbono, aceros débilmente aleados y aceros inoxidables. Otros tipos comunes de soldadura por arco son: Soldadura TIG: Soldadura con Tungsteno y gas inerte. En el seno de un gas de protección se establece un arco eléctrico entre un electrodo infusible de tungsteno y la pieza a soldar. Este proceso se utiliza cuando se requiere una soldadura de elevadas características, para la soldadura de aparatos de presión, tuberías, contenedores alimentarios, etc.

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Soldadura por Arco Eléctrico PLASMA: Es una evolución del proceso de soldadura TIG. Permite la unión de mayores espesores de metal, sin preparación de bordes y con las mismas prestaciones de calidad. Sus principales diferencias con el procedimiento TIG son: la fuerte constricción del arco eléctrico (alta densidad energética) y el uso de dos gases. Es un procedimiento de alto rendimiento utilizado, principalmente, para soldar aceros inoxidables con fuertes espesores en la construcción de tanques, recipientes y tuberías.

- Soldadura por arco con electrodo recubierto.

En este tipo de soldadura el electrodo metálico, que es conductor de electricidad, está recubierto de fundente y conectado a la fuente de corriente. El metal a soldar está conectado al otro borne de la fuente eléctrica. Al tocar con la punta del electrodo la pieza de metal se forma el arco eléctrico. El intenso calor del arco funde las dos partes a unir y la punta del electrodo, que constituye el metal de aportación. Este procedimiento, desarrollado a principios del siglo XX, se utiliza sobre todo para soldar acero.

- Soldadura por arco con fundente en polvo.

Este procedimiento, en vez de utilizar un gas o el recubrimiento fundente del electrodo para proteger la unión del aire, usa un baño de material fundente en polvo donde se sumergen las piezas a soldar.

- Soldadura aluminotérmica.

El calor necesario para este tipo de soldadura se obtiene de la reacción química de una mezcla de óxido de hierro con partículas de aluminio muy finas. El metal líquido resultante constituye el metal de aportación. Se emplea para soldar roturas y cortes en piezas pesadas de hierro y acero.

2.2.3.4. Soldadura por presión. Este método agrupa todos los procesos de soldadura en los que se aplica presión sin aportación de metales para realizar la unión. Algunos procedimientos coinciden con los de fusión, como la soldadura con gases por presión, donde se calientan las piezas con una llama, pero difieren en que la unión se hace por presión y sin añadir ningún metal. El proceso más utilizado es el de soldadura por resistencia; otros son la soldadura por fragua, la soldadura por fricción y otros métodos más recientes como la soldadura por ultrasonidos. - Soldadura por resistencia.

Este tipo de soldadura se realiza por el calentamiento que experimentan los metales debido a su resistencia al flujo de una corriente eléctrica. Los electrodos se aplican a los extremos de las piezas, se colocan juntas a presión y se hace pasar por ellas una corriente eléctrica intensa durante un instante. La zona de unión de las dos piezas, como es la que mayor resistencia eléctrica ofrece, se calienta y funde los metales. Este procedimiento se utiliza mucho en la industria para la fabricación de láminas y alambres de metal, y se adapta muy bien a la automatización.

2.3. Físico – químicas. Los metales tienen valencias positivas en la mayoría de sus compuestos. Esto significa que tienden a ceder electrones a los átomos con los que se enlazan. También tienden a formar óxidos básicos. Por el contrario, elementos no metálicos como el nitrógeno, azufre y cloro tienen valencias negativas en la mayoría de sus compuestos, y tienden a adquirir electrones y a formar óxidos ácidos.

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Los metales tienen energía de ionización baja: reaccionan con facilidad perdiendo electrones para formar iones positivos o cationes. De este modo, los metales forman sales como cloruros, sulfuros y carbonatos, actuando como agentes reductores (donantes de electrones). 2.4.1. Oxidación y reducción. Cuando una sustancia se combina con el oxigeno se dice que se oxida; la reducción ocurre cuando se retira el oxigeno de la sustancia. Existe, sin embargo, un sentido más general en el que es posible utilizar estos elementos. Se dice que existe oxidación de un elemento cuando hay un aumento en su estado de valencia. Fe + 1/2O2 = FeO ; varía de Fe0 a FeII Donde el hierro y el oxigeno combinados se podrían representar como: Fe = Fe2+ + 2e O2- = 1/2O2 + 2e Por lo que se deduce que si el hierro al aumentar de valencia se oxida, el oxigeno, a su vez, se reduce cuando provoca la oxidación. Podríamos decir que una oxidación libera electrones, mientras que la reducción los consume. 2.4.2. La corrosión La corrosión metálica es el desgaste superficial que sucede cuando los metales se exponen a ambientes reactivos. Se originan en dichas superficies unos compuestos químicos similares a las rocas metalíferas que se encuentran en la corteza terrestre. Es decir, las reacciones de corrosión ocasionan que los metales regresen a sus menas originales.

2.4.2.1. Fundamentos de la corrosión Es un proceso ELECTRO-QUÍMICO, donde se suceden reacciones de oxidación y reducción, estableciéndose un intercambio de electrones, y consecuentemente el paso de una corriente eléctrica de componente continua entre un ánodo y un cátodo, a través de un medio conductor, como en una pila galvánica. Para entender el proceso de corrosión metálico, y por lo tanto la causa del par galvánico se aclaran los siguientes conceptos: Electrolitos. Son soluciones conductoras de electricidad produciéndose una disociación (se separan en dos iones) de moléculas del cuerpo disuelto.

Ejemplo: Cl Na → Na+ y Cl-.

Si en esta solución se introducen dos electrodos se formará un campo eléctrico. Si un cuerpo sólido se introduce en un líquido, sus moléculas tienden a pasar al líquido. Este proceso continúa hasta que exista equilibrio entre las moléculas del sólido que pasan al líquido y las del líquido que pasan al sólido. EQUILIBRIO → TENSIÓN DE DISOLUCIÓN = PRESIÓN OSMÓTICA

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En el caso de los metales, pasan al líquido parte de los componentes de su red cristalina → pierde iones + → queda cargado – .

Si el líquido en el que se introduce un metal contiene electrolitos del mismo metal, pueden ocurrir tres casos:

Disolución con alto contenido de M+. Los electrolitos pasan al metal.

Tensión de disolución igual a la presión osmótica. Equilibrio.

Tensión de disolución mayor que la presión osmótica. Solución baja en M+. El metal cede iones.

Puede ocurrir que dos metales estén en contacto y exista además un líquido con un electrolito. En ese caso se produce un par galvánico que lleva aparejada una fuerte corrosión (una importante cantidad de iones de uno de ellos se separan de un metal depositándose en el otro). Un ejemplo importante son las instalaciones de fontanería en las que se mezcla hierro y cobre (el hierro pierde iones y por lo tanto masa, que se deposita en el cobre. Lo mismo ocurre con el zinc, que pierde iones en contacto con el hierro).

2.4.2.2. Tipos de corrosión. Puede ser de varios tipos: Corrosión atmosférica: El metal está alternativamente mojado y seco, sometido a la luz

del sol, variabilidad del tiempo y a la presencia de oxígeno. Corrosión bajo el agua: Proceso casi inverso al anterior, donde el oxígeno necesario

queda limitado en cantidad al obtenerse del aire. Corrosión por suelo: Añade elementos químicos que influyen, como las sales solubles. Corrosión química: Producida artificialmente por ácidos, bases, soluciones

específicas...

2.4.2.3. Protección contra la corrosión. Las principales técnicas utilizadas se pueden clasificar en dos grupos: protecciones pasivas (basadas en un control químico) y protecciones catódicas (basadas en el control eléctrico). a). Protecciones pasivas.

Se entiende por protección pasiva la que implica una separación eléctrica entre ánodos y cátodos de las pilas de corrosión. Los sistemas más empleados se basan en el aislamiento de los elementos constructivos a proteger mediante materiales dieléctricos (pinturas, recubrimientos plásticos, etc), evitándoles entrar en contacto con el medio conductor (agua, suelo, aire húmedo), o protegiéndolo mediante un recubrimiento con otro metal más resistente a la corrosión.

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Los procedimientos de aplicación son de suma importancia en cuanto a la eficacia de la protección contra la corrosión, pues tanto el espesor, porosidad, como la naturaleza misma de las capas obtenidas son función del procedimiento de aplicación.

Procedimientos de aplicación

Inmersión en un metal.

Después de una preparación superficial, las piezas a proteger se sumergen en un baño de un metal en fusión. Se utiliza habitualmente para los recubrimientos de cinc (galvanización en caliente), aluminio (aluminizado), estaño y plomo.

Metalización por proyección con pistola.

Consiste en proyectar sobre la superficie del metal, (preparada por chorreado con arena o granallado), otro metal en estado de fusión por medio de una pistola.

El espesor del recubrimiento puede variar según la naturaleza del metal proyectado y el resultado que se espera obtener. La mayoría de los metales o aleaciones pueden aplicarse de esta manera: zinc, aluminio, acero inoxidable, estaño, plomo, níquel, cobre, etc.

Electrólisis.

Las piezas a tratar se sumergen en soluciones que contienen sales de los metales a depositar. Bajo la acción de la corriente eléctrica proporcionada por el generador, el metal a proteger se recubre del metal contenido en el baño. Los metales corrientemente depositados por vía electroquímica son: cromo, cobre, níquel, cinc, cadmio y estaño.

Tratamientos termoquímicos de difusión.

También conocidos como cementación, consisten en colocar las piezas de acero a tratar en una mezcla de polvo metálico y de enlazante (cemento) en un recinto a alta temperatura. El metal protector (recubrimiento) se difunde superficialmente en el metal base y forma una capa eficaz contra la corrosión. Los metales corrientemente aplicados por este método son el zinc (sherardización) y el aluminio.

Placado.

Después de un tratamiento superficial especial, la lámina del metal para aplicar y el metal base se someten a un proceso de colaminación en caliente, obteniéndose al final lámina de acero recubierta del metal aplicado. Este proceso puede efectuarse sobre una o las dos caras de la lámina del acero. El acero inoxidable, níquel y el cobre se aplican comúnmente por esta técnica.

b). Protecciones catódicas. La protección se basa en la generación de una corriente externa que aplicada en la superficie del elemento a proteger, elimina la tendencia a diluirse de los iones metálicos de éste. La protección catódica requiere una fuente de corriente continua y un electrodo auxiliar o ánodo por donde se inyecta la corriente al medio donde se encuentra la estructura a proteger. Es el complemento más eficaz para la protección de objetos metálicos en ambientes de riesgo importante de corrosión (aunque estén recubiertos con protecciones pasivas):

- Tanques y tuberías enterradas o sumergidas. - Estructuras de hormigón armado con ataque por corrosión exterior, tanto enterradas,

sumergidas o aéreas, como en puentes, muelles, edificios, etc. - Elementos enterrados de sistemas eléctricos, como puestas a tierra, etc. En función del tipo de fuente de la corriente continua usada para la protección se pueden distinguir distintos sistemas:

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Corriente impresa

Fundamentos

Consiste en obtener la corriente eléctrica de protección, a partir de una fuente externa de energía eléctrica, fotovoltaica o eólica. Una instalación de protección por corriente impresa consta de:

- Una unidad central de potencia. - Un lecho de ánodos dispersor de la corriente en el medio conductor (suelo, agua). - Unos conductores de unión para polo positivo del rectificador hasta el lecho de ánodos,

y desde el polo negativo hasta los elementos a proteger.

Las unidades centrales de potencia están preparadas para regular la corriente o el voltaje de salida. De esta forma, existen dos sistemas diferentes:

- Con regulación manual de la salida. - Con regulación automática y manual de la corriente y tensión de salida, de acuerdo a

valores preestablecidos de potencial natural, que son leídos a través de sondas.

Tipos de ánodos

- Chatarra de hierro: Aconsejable en terrenos de resistividad elevada. Debe rodearse de un relleno artificial constituido por carbón de coque.

- Ferrosilicio: Recomendable en terrenos de media y baja resistividad. Se coloca en el suelo hincado o tumbado rodeado de un relleno de carbón de coque.

- Grafito: Puede utilizarse principalmente en terrenos de resistividad media y se utiliza con relleno de grafito o carbón de coque.

- Titanio-Platinado: Especialmente indicado para instalaciones de agua de mar, aunque sea perfectamente utilizado en agua dulce o incluso en suelo.

Ventajas

- Se pueden obtener tensiones altas, para proteger grandes superficies. - Pueden controlarse las prestaciones, ajustando la tensión o corriente de salida. - Se puede automatizar y controlar su funcionamiento. - Permiten un mayor control y seguimiento de la protección.

Desventajas

- Se necesita de una fuente de energía externa. - La posibilidad de sobreprotección, y los daños que ésta pueda ocasionar, cuando el

sistema está mal ajustado. - Es difícil obtener una distribución uniforme en elementos de formas complejas. - Corrosión acelerada si la conexión al elemento a proteger se destruye.

Aplicaciones prácticas

Protección catódica de depósitos de agua dulce. Los depósitos de agua potable, tanto industriales como domésticos, también se pueden proteger de la corrosión mediante protección catódica.

Protección catódica de tuberías enterradas. Todas las tuberías enterradas que se utilizan para transportar agua o petróleo están protegidos por lo general mediante tratamiento catódico, además de determinados revestimientos.

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Ánodos de sacrificio

Fundamentos

Cuando dos metales humedecidos se ponen en contacto, forman una pila electroquímica. El metal químicamente más activo hace de polo negativo (ánodo) y el menos activo, de polo positivo (cátodo).

Como consecuencia, el metal más activo se corroe más rápidamente, protegiendo así al menos activo.

Este tipo de protección se llama protección anódica y el metal que hace de ánodo se llama metal de sacrificio. Por ejem: acero galvanizado (hierro recubierto de una capa de cinc). Aunque se ralle y se deteriore, al ser el cinc más activo que el hierro y se oxida más rápidamente, actúa de metal de sacrificio y protege al hierro de la corrosión.

Tipos de ánodos

Considerando que el flujo de corriente se origina en la diferencia de potencial existente entre el metal a proteger y el ánodo, éste último deberá ocupar una posición más elevada en la tabla de potencias (serie electroquímica o serie galvánica).

Los ánodos galvánicos que con mayor frecuencia se utilizan en la protección catódica son Magnesio, Aluminio y Zinc.

Ventajas

Funcionan independientemente de una fuente de energía eléctrica. Su instalación es simple. Es fácil obtener distribuciones uniformes de potencial en una estructura.

Desventajas

Sólo se pueden emplear en medios de bajas resistividades. Se necesitan grandes cantidades de ánodos para proteger grandes superficies. En instalaciones enterradas, la sustitución supone elevados costes de obra.

b). Comparación de los sistemas.

ANODOS GALVANICOS

CORRIENTE IMPRESA

- No requieren potencia externa. - Voltaje de aplicación fijo. - Amperaje limitado. - Útil en medios de baja resistividad. - La interferencia con estructuras enterradas es

prácticamente nula. - Sólo se los utiliza hasta un valor límite de

resistividad eléctrica hasta 5000 ohm-cm. - Mantenimiento simple.

- Requiere potencia externa. - Voltaje de aplicación variable. - Amperaje variable. - Aplicables en cualquier medio. - Es necesario analizar la posibilidad de

interferencia. - Sirve para áreas grandes. - Mantenimiento no simple. - Resistividad eléctrica ilimitada. Costo alto de

instalación

METALES

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3. PROCESOS DE OBTENCION, ELABORACION Y TRATAMIENTOS. 3.1. Minerales. Mena y ganga Los Metales se obtienen de la Naturaleza generalmente en forma de Minerales (Carbonatos, Sulfuros y Óxidos) con excepción de algunos Metales que no se encuentran combinados (por ejemplo: Platino).

Los Procesos Metalúrgicos para la Obtención de Metales son los siguientes: - Tratamiento Preliminar: Concentración y eliminación de Impurezas. - Reducción: Transformación del Metal combinado a Metal Libre. - Refino: Purificación y/o adición de sustancias para obtener ciertas propiedades en el

producto final 3.2. Procedimientos generales de obtención

3.2.1. Concentración del mineral.

Proceso por el cual se eliminan impurezas o materiales no adecuados para seleccionar el mineral. Mena: Parte apropiada de un mineral metálico. Ganga: Desperdicio del mineral, una vez extraída la mena del mismo. Una primera concentración puede ser a mano, seleccionando el mineral bruto que pasa por una cinta. En minerales con gran cantidad de barro, arcilla, arena… se realiza un lavado previo. La concentración puede ser efectuada por diferentes métodos:

- Por atracción magnética (como por ejemplo el mineral de hierro que contiene óxido de hierro magnético).

- Flotación. Se basa en la diferencia de densidades y en el mojado selectivo. El uso de

una mezcla de flotación (formada por aceite y un surfactante) es efectuado para cada aplicación hasta que el componente deseado (o no deseado) se ha "humedecido" por la mezcla de flotación mientras que los otros componentes se "humedecen" por el agua. La mezcla de flotación y el mineral de interés son agitados con agua, de tal manera que una parte del material flota y otra parte se sedimenta para efectuar una primera separación del material no deseado al remover el material flotante; la porción que es "humedecida" por el agua permanece en la misma.

Celdas de flotación. Son espacios cerrados donde se realiza la concentración del metal mediante el burbujeo de aire en una solución. Se utiliza en metales como el cobre, cuyas partículas son hidrofóbicas y se adhieren a las burbujas de aire, subiendo a la superficie desde donde rebasan a canaletas que se encuentran a los costados.

- Peletización es utilizar presión con/sin, adición de conglomerantes para Ø muy finos y

posteriormente sinterizar a 1200ºC aproximadamente.

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3.2.1. Reducción. Los metales frecuentemente se encuentran en la naturaleza en forma de óxidos, sulfuros, carbonatos, sulfatos y cloruros. Se denomina proceso de reducción a la transformación del Metal combinado en Metal Libre.

3.2.1.1. Termometalurgia: Procesos de obtención de metales mediante el uso de altas temperaturas y de las reacciones que así ocurren. Las mayores cantidades de metales se producen por operaciones de fusión, es decir, reducción a altas temperaturas, en la cual el metal por lo general se recoge en estado fundido. El proceso de reducción es más fácil de efectuarse en los óxidos que en los sulfuros o carbonatos. Los sulfuros y carbonatos son convertidos primeramente en óxidos por calentamiento (proceso de tostación); posteriormente estos óxidos pueden ser reducidos por el uso de hidrógeno, carbón, monóxido de carbono, por metales más activos o por electricidad. Asociados a estos procesos térmicos aparecen otros materiales:

Combustibles.

Pueden ser de varios tipos: Gaseosos: Butano, propano, acetileno, hidrógeno… Líquidos: Gasolina, keroseno, gas-oil, fuel-oil, aceites vegetales… Sólidos: Carbones, cok.

Cok o coque. Es el residuo obtenido por la eliminación total o casi total de las materias volátiles de un combustible sólido o líquido. Normalmente se obtiene de carbones bituminosos.

El cok de fundición es duro, sólido, resistente a la abrasión, brillante y en su composición debe cumplir: azufre < 1%, cenizas > 13%.

Fundentes.

Su misión es hacer fusible la ganga del mineral y las cenizas del combustible para formar una escoria líquida. La naturaleza del fundente dependerá del tipo de ganga.

- Ganga arcillosa: fundente carbonato de cal. - Ganga siliciosa: Fundente arcilla. - Ganga calcárea: Fundente arcilla.

A veces se mezclan minerales de ganga arcillosa con los de ganga calcárea y evitar así el uso de fundentes. También existen fundentes neutros que se añaden para fluidificar las escorias (espato-fluor).

Refractarios.

Se emplean en revestimientos de hornos y en su construcción. Deben cumplir:

- Aptitud para resistir y evitar pérdidas de calor. - Aptitud para soportar tº >1500ºC, manteniendo sus propiedades físicas y químicas. - Dureza para resistir la abrasión sin desconcharse. - Bajo coeficiente de dilatación y de contracción. - Ser inertes a las reacciones químicas que se verifiquen en su presencia.

Se utilizan como materiales refractarios determinadas arcillas (silicatos de aluminio anhidro), cuarcitas, grafito, cromita… El carbono es la sustancia más refractaria que se conoce y se presenta como grafito, cok, carborundo (carbono siliciado. SiC) etc.

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Estos procesos se realizan aplicando calor en hornos: - Alto Horno. Utilizado principalmente para la reducción del mineral de hierro para obtener

arrabio. Por el tragante (parte superior del horno) se cargan por capas los minerales de hierro, la caliza y el coque.

La inyección de aire precalentado a 1.000 ºC, aproximadamente, facilita la combustión del coque, generando elevadas temperaturas y gases reductores que actúan sobre el mineral y los fundentes.

- Horno de hogar abierto o crisol. Se le denomina de esta manera porque contiene en el

hogar (fondo) una especie de piscina larga y poco profunda (6m de ancho, por 15 m de largo, por 1 m de profundidad, aproximadamente).

El horno se carga con los concentrados de minerales metálicos y los fundentes. Se emplea aire precalentado, combustible líquido y gas para la combustión. Largas lenguas de fuego pasan sobre los materiales, fundiéndolos, a la vez que se quema (o se oxida) el exceso de carbono y otras impurezas como el fósforo, silicio y manganeso. El proceso puede acelerarse introduciendo tubos refrigerados por agua (lanzas) que aumentan el flujo de oxígeno sobre la carga.

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- Horno de oxigeno básico. Es un horno en forma de pera que se rellena con los minerales

metálicos (parte en estado frío y parte fundidos). En su interior se introduce una lanza de oxígeno refrigerada por agua y se fuerza sobre ella un flujo de oxígeno puro a alta velocidad durante 20 minutos. Este actúa como fuente de calor y para la oxidación de las impurezas.

Tan pronto como el chorro de oxígeno comienza, se agregan los materiales fundentes. La reacción química resultante desarrolla una temperatura aproximada de 1.650º C. El oxígeno se combina con el exceso de carbono acabando como gas y se combina también con las impurezas para quemarlas rápidamente. Su residuo es absorbido por la capa flotante de escoria.

Después de haberse completado la inyección de oxígeno, se analiza la composición química de diversas muestras de la masa fundida. Cuando la composición es correcta, el horno se inclina para verter el metal fundido en una olla de colada.

- Horno de arco eléctrico. Es el más

versátil de todos los hornos. No solamente puede proporcionar altas temperaturas, hasta 1.930ºC, sino que también puede controlarse eléctricamente con un alto grado de precisión.

Debido a que no se emplea combustible alguno, no se introduce ningún tipo de impurezas. El resultado es un metal más limpio. Consecuentemente, puede producir todo tipo de metales y aleaciones.

Al aplicarse la corriente eléctrica, la formación del arco entre los electrodos gigantes produce un calor intenso. Cuando la carga se ha derretido completamente, se agregan dentro del horno las cantidades medidas de los elementos de aleación requeridos.

La masa fundida resultante se calienta, permitiendo que se quemen las impurezas y que los elementos de aleación se mezclen completamente. Cuando la composición química de la masa fundida cumple con las especificaciones, el horno se inclina para verter el metal fundido dentro de una olla de colada.

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3.2.1.2. Hidrometalurgia.

Procesos de obtención de metales en fase acuosa. Por hidrometalurgia se entiende los procesos de lixiviación selectiva ( disolución ) de los componentes valiosos de las menas y su posterior recuperación de la solución por diferentes métodos. El nombre de hidrometalurgia se refiere al empleo generalizado de soluciones acuosas como agente de disolución. - Lixiviación. Operación que consiste en hacer pasar un líquido, agua, alcohol, etc., a través

de varias capas de una sustancia pulverizada para obtener los principios solubles de estas sustancias.

En hidrometalurgia se utiliza la propiedad por la cual los minerales oxidados son fácilmente atacables por los ácidos. Hay tres principales etapas de los procesos hidrometalúrgicos : a. Disolución del componente deseado presente en la fase sólida. b. Concentración y/o purificación de la solución obtenida. c. Precipitación del metal deseado o sus compuestos. Los reactivos químicos empleados (agentes lixiviantes) deben reunir diferentes propiedades para poder usarse, por ejemplo : no deben ser muy caros, deben ser fácilmente recuperables y deben ser bastante selectivos para disolver determinados compuestos.

La hidro-electrometalurgia comprende el conjunto de procesos de lixiviación y precipitación por medio de electrólisis, donde los procesos electroquímicos son precedidos por los procesos hidrometalúrgicos.

3.2.1.3. Electrometalurgia. Procesos mediante los cuales se depositan metales sobre otra superficie metálica por medio de la aplicación de corriente eléctrica en un medio electrolítico. Un proceso electrolítico consta de una celda electrolítica, la cual esta formada por: - Una solución de un electrolito. - Dos electrodos (ánodo y cátodo). - Una fuente de corriente directa. Los electrodos en algunos casos son sustancias químicamente inertes (generalmente platino o grafito) para que no reaccionen con los iones en solución o con las sustancias que se liberan en los electrodos. Una batería eléctrica suministra en forma continua electrones al electrodo cargado negativamente (el cátodo) y a la vez recibe continuamente electrones del electrodo cargado positivamente (ánodo). Los iones con carga positiva, son atraídos hacia el ánodo donde liberan su exceso de electrones y se descargan. El cátodo es la terminal en la que tiene lugar la reducción y el ánodo es la terminal en que tiene lugar la oxidación.

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En esta categoría se encuentran los procesos de refinación electrolítica, electro-obtención y la amplia gama de procesos de recubrimiento metálico electrolítico bajo el nombre genérico de galvanotecnia. Muchos metales como el cobre, la plata y el oro se refinan mediante procesos electrolíticos; uno de los procesos electrolíticos más conocidos es el de galvanoplastia, en éste el metal se deposita en forma de una película delgada y lustrosa sobre la base, normalmente de un metal más barato, protegiendo de esta manera al metal base contra la corrosión y embelleciéndolo al mismo tiempo. 3.2.3. Procedimientos de afino Después de ser producido en cualquiera de los hornos de fabricación, los metales se someten a procesos para aumentar su pureza y homogeneidad, o bien, para obtener aleaciones más precisas. - Proceso de vacío (desgasificación). La eliminación de los gases (oxígeno, hidrógeno y

nitrógeno) en el metal derretido que fueron absorbidos o formados durante el proceso de fabricación, se lleva a cabo exponiéndolo al vacío. La presión enormemente reducida sobre la superficie del líquido permite que los gases escapen.

Si los gases no se remueven antes que el metal solidifique, su presencia o sus reacciones con otros elementos en producto final puede producir defectos tales como: inclusiones (partículas sólidas de óxido), sopladuras (bolsas de gas), descascarillamiento (grietas internas) y fragilidad (pérdida de ductibilidad).

DESGASIFICACION POR FLUJO

En este proceso, el metal fundido se vierte desde la olla de colada dentro de una lingotera, la cual está completamente encerrada en una cámara de vacío. Mientras, el flujo de metal fundido cae dentro del vacío, se separa en gotitas. Debido a la reducida presión sobre el líquido, los gases disueltos revientan y se extraen fuera de la cámara por medio de una bomba de vacío.

Libre ya de gases en la lingotera, éste se solidifica en un metal de alta pureza.

DESGASIFICACION EN LA OLLA DE COLADA.

En este proceso, el metal derretido se desgasifica en la olla de colada. Se hace descender un recipiente de vacío calentado de modo que su boquilla de absorción quede por debajo del nivel líquido del metal fundido.

La presión atmosférica impulsa al metal fundido hacia arriba dentro de la cámara de vacío, en donde los gases revientan y se extraen mediante la bomba de vacío. La elevación del recipiente de vacío permite que el metal fundido fluya de vuelta, por la fuerza de gravedad, dentro de la olla de colada. Este ciclo se repite varias veces hasta que la totalidad del material fundido en la olla se ha desgasificado.

3.3. Productos obtenidos. - Fundición en arena. Es el modelado de un metal "vertiendo" metal fundido en un molde. La arena es un material especialmente bueno para hacer moldes. Puede resistir a temperaturas muy altas y se puede moldear en formas complejas. Entre los metales de fundición más corrientes están el hierro colado, acero, aleaciones de aluminio y latón. Los bloques del motor de automóviles, soportes para maquinaria pesada, tapas de registro... son ejemplos de productos fundidos en arena. - Fundición a presión. El metal fundido es forzado a entrar en la cavidad que hay entre los troqueles a una presión elevada. Después de que se ha inyectado el metal, la presión se mantiene mientras el metal se solidifica. Entonces los portatroqueles se abren y la pieza fundida es expulsada automáticamente. La fundición a presión se limita a metales no ferrosos cuyas temperaturas de fusión no dañan los troqueles.

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4. ALEACIONES. 4.1. Conceptos básicos. Antes de estudiar los distintos metales interesa diferenciar: 4.1.1. Fase. Es aquella parte o región de un material que es distinta a otra región en estructura y/o composición.

Ejemplos: - Agua y hielo: Estas dos fases pueden coexistir, y aunque tienen una misma composición, el hielo es un sólido cristalino con red hexagonal, mientras que el agua es líquida.

- Plástico reforzado con fibra de vidrio - Hormigón reforzado con fibras (de acero, polipropileno, u otras). Las dos fases de un material dado presentan diferencias bien claras tanto en composición como en estructura. Frontera de Fase: Representa una DISCONTINUIDAD en la estructura y/o composición de un material. Están representadas por las líneas que dividen cada sector del diagrama de fase. 4.1.2. Mezcla. Material con más de una fase. Los componentes se mezclan pero ninguno se disuelve en el otro. - Contienen más de una estructura (patrón estructural) Ej: arena y agua. - Las propiedades resultantes no corresponden a las de las fases componentes individuales

Ej. hormigón armado 4.1.3. Combinación química. Intervienen reacciones atómicas, formándose un compuesto de propiedades distintas a las de sus componentes. (Metal + Oxígeno = Oxido metálico). 4.1.4. Solución. Mezcla que llega a la interpolación molecular, (Agua + sal). Puede ser sólida o líquida. También se puede definir como una sola fase con más de un componente, en la que los componentes se unen formando uno nuevo. En una solución puede ocurrir cualquiera de los siguientes casos: - Un átomo puede ser substituido por otro, en sitios de la red pertenecientes a la estructura

de la fase. - Los átomos pueden colocarse en intersticios de la estructura. - El soluto no modifica la estructura del solvente. Las soluciones tienen propiedades diferentes a las de los materiales solutos.

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Soluciones y solubilidad. Cuando se empiezan a combinar materiales distintos -como al agregar elementos de aleación a un metal-, se producen soluciones. Es importante conocer la cantidad de cada material que se puede combinar sin producir una fase adicional, es decir, la solubilidad de un material en otro.

Solubilidad ilimitada:

Se mezclan en un recipiente agua y alcohol. Cada uno de estos componentes, por separado son una fase distinta. Al uno en otro y revolver, solamente se producirá una fase. El recipiente contendrá una solución de agua y alcohol, con estructura, propiedades y composición únicas. El agua y el alcohol son solubles entre sí. Tienen una solubilidad ilimitada, e independientemente de la relación de cada uno de ellos, al mezclarlos sólo se produce una fase. De igual forma, si se mezcla cualquier cantidad de cobre líquido y de níquel líquido, sólo se obtendrá una sola fase líquida. La aleación de líquido tendrá la misma composición, propiedades y estructura en todas partes, porque ambos componentes tienen solubilidad líquida ilimitada.

Si la aleación líquida cobre-níquel se solidifica y se enfría a temperatura ambiente, sólo se produce una fase sólida. Después de la solidificación, los átomos de cobre y de níquel no se separan, sino que se sitúan de manera aleatoria en los puntos de la red. En el interior de la fase sólida, la estructura, propiedades y composición son uniformes y no existe interfase alguna entre los átomos de cobre y de níquel. Por tanto, el cobre y el níquel también tienen solubilidad sólida ilimitada. La fase sólida es una solución sólida. Una solución sólida no es una mezcla. Las mezclas contienen más de un tipo de fase y sus componentes conservan sus propiedades individuales. Los componentes de una solución sólida se disuelven uno en el otro y no retienen sus características propias.

Solubilidad limitada: Cuando se agrega una pequeña cantidad de Azúcar (primera fase) a un vaso con agua (una segunda fase) y se revuelve, el Azúcar se disuelve totalmente en el agua. Se obtendrá sólo una fase: agua azucarada. Sin embargo, si al agua se le agrega demasiada Azúcar, el exceso se hundirá en el fondo del vaso. Ahora se tienen dos fases, agua saturada con azúcar, más la sólida excedente: el Azúcar tiene solubilidad limitada en el agua. Si al cobre líquido se le agrega una pequeña cantidad de zinc líquido, se producirá una sola solución líquida. Cuando dicha solución de cobre y zinc se enfría y se solidifica, da como resultado una solución sólida con los átomos de cobre y de zinc localizados de manera aleatoria en los puntos normales de la red. Sin embargo, si la solución líquida contiene más de un 30 por ciento de zinc, algunos de los átomos de zinc excedentes se combinarán con algunos de los átomos de cobre, para formar un compuesto Cu-Zn.

Ahora coexisten dos fases sólidas: una solución sólida de cobre saturado, con aproximadamente 30 % de zinc, y un compuesto Cu-Zn. La solubilidad del zinc en el cobre es limitada. La figura muestra una porción del diagrama de fases Cu-Zn ilustrando la solubilidad del zinc en el cobre a bajas temperaturas. La solubilidad aumenta al incrementarse la temperatura. En el caso extremo, pudiera no existir prácticamente nada de solubilidad entre un material y otro. Esto es cierto para el aceite y el agua, o para aleaciones de cobre y plomo.

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4.2. Aleación. Producto homogéneo de propiedades metálicas compuesto de 2 o más elementos, uno de los cuales al menos debe ser un metal , sin que haya combinación química entre ellos. También se podría definir como solución en la que uno de sus componentes es un metal.

Latón = cobre + zinc.

Bronce = cobre + estaño.

Acero = hierro + carbono.

Por medio de las aleaciones se les dan a los metales características que no poseen por si mismos:

- Mayor resistencia y dureza. - Mayor resistencia a los impactos. - Aumento de la resistencia al desgaste. - Aumento de la resistencia a la corrosión. - Mejoramiento de maquinabilidad

Existen varios tipos de aleaciones entre ellas se encuentran - Disolución sólida sustitucional : Los volúmenes atómicos de 2 elementos se parecen y

se cristalizan en un mismo sistema. - Disolución sólida con compuesto intersticial : Los pequeños átomos de uno de los

elementos se colocan entre la red de átomos del otro metal formando una aleación intersticial.

- Compuesto intermetálico : Formado por 2 elementos con punto de fusión definido y que

no cumplen con la ley de la valencia , los enlaces son entre el metálico y el covalente.

4.3. Diagramas de fases Son representaciones gráficas de las fases que están presentes en un sistema de materiales a varias temperaturas, presiones y composiciones. Información que podemos obtener de los diagramas de fase: - Conocer que fases están presentes a diferentes composiciones y temperaturas bajo

condiciones de enfriamiento lento (equilibrio). - Averiguar la solubilidad, en el estado sólido y en el equilibrio, de un elemento (o

compuesto) en otro. - Determinar la temperatura a la cual una aleación enfriada bajo condiciones de equilibrio

comienza a solidificar y la temperatura a la cual ocurre la solidificación. - Conocer la temperatura a la cual comienzan a fundirse diferentes fases.

METALES

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4.3.1. Diagrama de fases de sustancias puras. Una sustancia pura como el agua puede existir en las fases sólido, líquido y gas, dependiendo de las condiciones de temperatura y presión. Un ejemplo típico de dos fases de una sustancia pura en equilibrio es un vaso de agua con cubos de hielo. En este caso el agua, sólida y líquida, da lugar a dos fases distintas separadas por una fase límite, la superficie de los cubos de hielo. Durante la ebullición del agua, el agua líquida y el agua vapor son dos fases en equilibrio.

En el diagrama de fases presión-temperatura (PT) del agua existe un punto triple a baja presión (4579 torr) y baja temperatura (0,0098 ºC) donde las fases sólida, líquida y gaseosa coexisten. Las fases líquida y gaseosa existen a lo largo de la línea de vaporización y las fases líquida y sólida a lo largo de la línea de congelación. Estas líneas son líneas de equilibrio entre dos fases. Diagrama de equilibrio de fases aproximado presión-temperatura (PT) para el agua pura.

Los metales en estado sólido, como anteriormente se ha explicado, tienen estructura cristalina . − El paso del estado sólido al líquido exige una gran cantidad de energía calorífica (necesaria

para romper la red cristalina). − En el estado líquido (tª > fusión) existen preagrupaciones semejantes al estado sólido que

se denominan gérmenes (agrupaciones atómicas en el seno de la masa líquida con una estructura cristalina igual a la del metal sólido o al menos compatible con sus planos cristalinos).

− El paso del proceso líquido al sólido es inverso (desprende la energía calorífica absorbida).

METAL

Curva de enfriamiento del metal en función del tiempo.

ALEACION

Curva de enfriamiento de una aleación entre dos metales (M1 + M2) en función del tiempo.

AB →Enfriamiento del metal fundido. Desprende gran cantidad de calor específico.

ts → Temperatura de solidificación. BC → Rellano de solidificación. CD → Enfriamiento del metal en estado sólido.

AB → Fase líquida. T1 → Comienza la solidificación del metal M1. BC → Intervalo de solidificación T2 → Solidificación total. CD → Enfriamiento.

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4.3.1.1. Regla de las Fases de Gibbs. Un sistema está en equilibrio cuando no se producen en él transformaciones en función del tiempo. La regla de las fases de Gibbs es una ecuación que permite calcular el número de fases que pueden coexistir en equilibrio en cualquier sistema:

V= (Varianza) número de fases que pueden coexistir en el sistema elegido

C = número de componentes en el sistema (elemento, compuesto o solución) F= grados de libertad (número de variables: presión, temperatura y composición)

En metalurgia

En los metales la presión no influye, puesto que en estado líquido son incomprensibles, y por lo tanto sólo depende de la concentración y la temperatura.

4.3.2. Solubilidad Sólida Completa (Diagrama isomorfo). Un diagrama de fases muestra las fases y sus composiciones para cualquier combinación de temperatura y composición de la aleación. Cuando en la aleación sólo están presentes dos elementos, se puede elaborar un diagrama de fases binario, en los que sólo se forma una fase sólida; los dos componentes del sistema presentan solubilidad sólida ilimitada. Si consideramos dos metales que pueden formar diferentes aleaciones en función de sus porcentajes y dibujamos sus gráficas de enfriamiento obtenemos.

Uniendo los puntos que para cada composición definen los intervalos de solidificación, obtenemos dos nuevas curvas, una superior que define la fase liquida de las diferentes aleaciones, y otra inferior, que define la fase sólida.

La curva superior limita la fase totalmente homogénea líquida

V= C-F+1 = 2-1+1= 2 Variantes.

La curva inferior limita la fase homogénea sólida

V= C-F+1= 2-1+1= 2 Variantes

La zona intermedia limita coexistencia de dos fases

V= C-F+1= 2-2+1= 1 Variante

V+F=C+2

V+F=C+1

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4.3.3. Temperaturas de líquidus y de sólidus. La curva superior en el diagrama es la temperatura de líquidus. Se debe calentar una aleación por encima de líquidus para producir una aleación totalmente líquida que pueda ser colocada para obtener un producto útil. La aleación líquida empezará a solidificarse cuando la temperatura se enfríe hasta la temperatura de líquidus. La temperatura de sólidus es la curva inferior. Una aleación de este tipo, no estará totalmente sólida hasta que el metal se enfríe por debajo de la temperatura de sólidus. Si se utiliza una aleación cobre-níquel a altas temperaturas, deberá quedar seguro que la temperatura durante el servicio permanecerá por debajo de la temperatura de sólidus, de manera que no ocurra fusión. Las aleaciones se funden y se solidifican dentro de un rango de temperatura, entre el líquidus y el sólidus. La diferencia de temperatura entre líquidus y sólidus se denomina rango de solidificación de la aleación. Dentro de este rango, coexistirán dos fases: una líquida y una sólida. El sólido es una solución de átomos de los compuestos involucrados; a las fases sólidas generalmente se les designa mediante una letra minúscula griega, como αηπλα. 4.3.3.1. Fases presentes. A menudo, en una aleación a una temperatura en particular interesa saber qué fases están presentes. Si se planea fabricar una pieza por fundición, debe quedar seguro que inicialmente todo el metal esté líquido; si se planea efectuar un tratamiento térmico de un componente, se debe procurar que durante el proceso no se forme líquido. El diagrama de fases puede ser tratado como un mapa de carreteras; si se sabe cuáles son las coordenadas, temperatura y composición de la aleación, se podrán determinar las fases presentes. 4.4. Tipos de aleaciones. Las Aleaciones suelen dividirse en dos categorías: ferrosas y no ferrosas.

- En las Aleaciones No Ferrosas intervienen metales diferentes al Hierro. Aleaciones de Aluminio Aleaciones de Magnesio Aleaciones de Cobre Aleaciones de Cobalto y Níquel Aleaciones de Titanio

- Las Aleaciones Ferrosas están basadas en el Hierro como el constituyente principal.

Aceros Simples Aceros Inoxidables Hierros Fundidos

4.4.1. Aleaciones No Ferrosas. Aleaciones de Aluminio El Aluminio es un Metal ligero, con una densidad de 2.70 g/cm3, o sea, con un tercio de la densidad del acero. Aunque las aleaciones de aluminio tienen propiedades a la tensión relativamente bajas comparadas con las del acero, su relación resistencia-peso es excelente. El Aluminio se utiliza cuando el peso es un factor importante, como ocurre en las aplicaciones aeronáuticas y de automotores.

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Aleaciones de Magnesio El Magnesio es más ligero que el Aluminio, con una densidad de 1.74 g/cm3. Aunque las Aleaciones de Magnesio no son tan resistentes como las de Aluminio, sus relaciones resistencia-peso son comparables. En consecuencia, las aleaciones de Magnesio se utilizan en aplicaciones aeroespaciales, maquinaria de alta velocidad, y equipo de transporte y manejo de materiales. Aleaciones de Cobre Las Aleaciones de Cobre son más pesadas que el Hierro pero tienen mayor resistencia a la fatiga y al desgaste abrasivo que las ligeras aleaciones de Aluminio y de Magnesio; presentan una excelente ductilidad, resistencia a la corrosión, conductividades eléctrica y térmica. Las aleaciones de Cobre son únicas en cuanto a que pueden seleccionarse para producir un valor decorativo apropiado. El Cobre puro es rojizo. Las adiciones de Zinc producen un color amarillo dorado y el Níquel un color plateado. Aleaciones de Níquel y Cobalto Las Aleaciones de Níquel y Cobalto se usan para obtener protección contra la corrosión y para lograr resistencia a la deformación a temperaturas elevadas, aprovechando sus altos puntos de fusión y elevadas resistencias mecánicas. Aleaciones de Titanio El Titanio proporciona excelente resistencia a la corrosión, alta relación resistencia-peso y propiedades favorables a temperaturas altas.

4.4.2. Aleaciones Ferrosas

Aceros Simples o de Bajo Carbono Los Aceros suelen clasificarse mediante las Euronormas y los sistemas AISI y SAE los cuales usan una cantidad de cuatro o cinco dígitos. Los dos primeros se refieren a los dos elementos de aleación más importantes y los dos o tres últimos números indican el porcentaje de Carbono. Un acero EN1040 es un Acero con 0.40 % de Carbono, sin otros elementos aleantes. Igualmente un acero EN10120 es un Acero que contiene 1.20 % de Carbono. Un acero EN 4340 es un acero aleado que contiene 0.40 % de Carbono. El 43 indica la presencia de otros elementos aleantes. Hierros Fundidos Las fundiciones o Hierros Fundidos son aleaciones Hierro-Carbono-Silicio que por lo general contienen entre 2 y 4 % de C, y entre 0.5 y 3 % de Si. Aceros Inoxidables Los Aceros Inoxidables se utilizan por su excelente resistencia a la Corrosión. Todos los verdaderos Aceros Inoxidables contienen un mínimo de 12 % de Cromo, lo que permite la formación de una delgada capa protectora de Oxido de Cromo cuando el Acero se expone al Oxígeno. Algunos contienen Níquel en una proporción menor.

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5. TRATAMIENTOS: TÉRMICOS, MECÁNICOS Y QUÍMICOS. Son procesos a los que se somete los metales y aleaciones ya sea para modificar su estructura, cambiar la forma y tamaño de sus granos o bien por transformación de sus constituyentes. El objeto de los tratamientos es mejorar las propiedades mecánicas, o adaptarlas, dándole características especiales a las aplicaciones que se le van a dar la las piezas de esta manera se obtiene un aumento de dureza y resistencia mecánica, así como mayor plasticidad o maquinabilidad para facilitar su conformación. Los tratamientos pueden ser mecánicos, térmicos o consistir en la aportación de algún elemento a la superficie de la pieza. 5.1. Tratamientos térmicos. Significa aplicar calor para hacer el metal más maquinable, transformándolo en más blando, más dúctil, cambiar su constitución y propiedades físicas… regulando los constituyentes y el tamaño de grano. Es un fenómeno reversible → cuando se calienta un material con el fin de trabajarlo puede dar lugar a efectos perjudiciales. Para que un tratamiento térmico sea beneficioso se tiene que controlar: Uniformidad de material: Mismo material → composición entre los límites fijados.

Homogeneidad del material → sin inclusión, grietas… Uniformidad de tratamiento: Instalación adecuada (hornos, baños…).

Calentamiento y enfriamiento en todas las direcciones: longitud, sección…

Si estas condiciones se cumplen se obtienen resultados uniformes. Normalizado.

Consiste en calentar un metal y enfriarlo lentamente.

Sirve para: - Eliminar tensiones internas. - Lograr una estructura homogénea.

Temple.

Se calienta el metal y se enfría rápidamente. En este proceso, el carbono pasa de su estado elemental o no combinado al de carbono combinado, imprimiendo dureza al metal.

Aumenta la dureza, límite elástico y resistencia a tracción. Disminuye la tenacidad y el alargamiento.

Recocido.

Se ablanda el metal para eliminar tensiones internas producidas por tratamientos mecánicos (es común recocer los alambres posteriormente al trefilado). El enfriamiento es más lento que en el temple y se obtiene mayor dureza.

Revenido.

Tratamiento térmico tª < tª crítica posterior al temple, y enfriamiento al aire o aceite.

Tiene como fin eliminar las tensiones de temple y reducir la dureza y resistencia aumentando la ductilidad y disminuyendo la fragilidad.

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5.2. Tratamientos mecánicos. Se somete al metal (en estado frío o caliente) a deformaciones para mejorar sus propiedades mecánicas y además darle formas determinadas. En los tratamientos mecánicos, la masa metálica sufre cambios de dimensiones más o menos bruscos y está sometida a tensiones unas veces uniformes y dirigidas en todos los sentidos, y otras veces en sentidos diferenciados, es decir, sus granos (y las impurezas y defectos) son deformados alargándose en el sentido de la deformación. Los tratamientos mecánicos:

- Aumentan la resistencia a la tracción, la dureza y el límite elástico. - Disminuyen el alargamiento porcentual y la tenacidad.

5.2.1. Tratamientos mecánicos en caliente

Forja. Es la operación de trabajar un metal o cambiar su forma golpeándolo con golpes secos, generalmente en caliente, por medio de un martillo u otro instrumento adecuado. Sirve para dar cohesión, reducir la fragilidad inicial debida a una estructura cristalina basta (se reduce el volumen). La forja que ha alcanzado la temperatura especificada aumenta la plasticidad del metal, y disminuye las fuerzas necesarias para trabajarlo.

Se puede realizar: - Martillo (forja a martillo o martillado).

Curvar o doblar es formar el metal en caliente o en frío de tal modo que varíe su forma primitiva recta.

Estirar es el proceso de alargar una pieza de metal en una o más direcciones, ya sea martilleándolo o prensándolo. El término significa siempre una disminución del área de la sección transversal, con el correspondiente aumento en la longitud o en anchura.

Conformar se llama el procedimiento de dar forma o contornó determinado a una pieza de metal por medio del martillado.

- Estampación. Es la formación de un componente con una barra metálica o palanquilla

entre dos medios troqueles. El metal caliente se coloca en el troquel inferior y el golpe de un martillo mecánico la fuerza a entrar en la cavidad entre el troquel superior y el inferior. Entre los metales utilizados en la forja de estampación están el acero bajo en carbono y el acero medio de carbono, el aluminio y las aleaciones de cobre.

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Laminación en caliente.

Consiste en hacer pasar una pieza entre dos cilindros que giran en sentido contrario al avance de la pieza modificando sus dimensiones y a veces la forma.

Se emplea para: - Modificar las propiedades físicas (resistencia al corte, desgaste, rayado, tenacidad). - Cuando se requiere una extremada precisión en cuanto a dimensiones. - Para obtener superficies muy lisas. - Para producir secciones complicadas y delgadas.

La laminación en caliente → semiproductos → laminación en frío → productos.

Se fabrica: chapas, láminas, tubos (con soldadura y sin soldadura) perfiles... Uso importante en las estructuras metálicas, tubos…

Laminador de Barras

Las palanquillas, después de ser recalentadas, se procesan en un laminador de barras en pasos sucesivos y se transforman en barras redondas lisas o con resaltes para hormigón, barras cuadradas; todos ellos, productos terminados ampliamente utilizados como materiales de construcción y en la manufactura de alambres, clavos, tornillos, bolas para molinos, pernos, etc.

Trefilado.

Cuando el alambre tiene que tener una sección determinada, calibrada, o pequeño Ø se aplica este sistema. Consiste en el estirado del alambre (fabricado por laminación) , haciéndole pasar por tracción a través de una hilera (especie de embudo) del diámetro requerido, recogiéndose finalmente el material en una bobina, para servirlo en rollos.

Extrusión por percusión-extrusión hacia delante.

Este proceso consiste en conseguir hacer entrar un cilindro caliente de metal en un troquel de extrusión empleando un ariete hidráulico. De esta forma se puede producir un número casi infinito de secciones transversales sólidas. Entre los productos fabricados con perfiles extraídos están: marcos de puertas y ventanas, componentes para cerraduras, cintas para cantos, etc. El mayor número de secciones producidas se fabrican con aluminio y latón.

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5.2.2. Tratamientos mecánicos en frío. Son los tratamientos realizados por debajo de la temperatura de recristalización. Pueden ser profundos o superficiales. Se consigue: - Aumento de la dureza y la resistencia a la tracción. - Se disminuye la plasticidad y tenacidad del metal. - Cambio en la estructura: deformación de granos y tensiones originadas, se dice entonces

que el metal tiene acritud (cuanto más deformación, mas dureza) - Fragilidad en el sentido contrario a la deformación (falta de homogeneidad en la

deformación iguales tensiones en las diferentes capas del metal) Cuando el metal tiene acritud, solo debe usarse cuando no importe su fragilidad o cuando los esfuerzos solo actúen en la dirección de la deformación Laminación en frío.

Consiste en hacer pasar una pieza “fría” entre dos cilindros que giran en sentido contrario al avance de la pieza modificando sus dimensiones y a veces la forma. Este proceso es normalmente complemento del laminado en caliente. Se suele complementar con un recocido. Laminación en frío → productos. Se fabrican por este método chapas, láminas, tubos...

Encabezamiento en frío. Es el proceso de convertir barras de metal frío o alambres en componentes "apretando" el metal contra una cavidad del troquel. El latón, el acero inoxidable, el acero bajo en carbono y el de contenido medio de carbono son los materiales más usados por lo general en este proceso. El uso más conocido de este proceso es el de la fabricación de pernos, tornillos, remaches y clavos. Laminador de roscas. Es un método de aplicar una rosca a pernos hechos a máquina producido por encabezamiento en frío. Las acanaladuras y los engranajes helicoidales son algunas de las formas que se pueden hacer formando perfiles con rodillos. Rectificado. Es el proceso de eliminación por medio del contacto autolimpiador de un material abrasivo como el carborundo. A diferencia del corte profundo con una herramienta metálica, el rectificado aplica sólo una fuerza diminuta a la pieza que se trabaja en la máquina.

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5.2.3. Mecanizado. Proceso mediante el cual la pieza obtenida por fundición, forja… se reduce a sus correctas dimensiones mediante herramientas de corte. TRABAJO CON TORNO

La rotación es la operación más básica que se lleva a cabo en un torno. La herramienta se puede mover de un lado a otro, a lo largo y en ángulo con la pieza que se trabaja en la máquina. Entre otras operaciones del torno están: taladrado y roscado El torno central es solamente adecuado para "producción de piezas distintas cada vez".

ESTAMPACIÓN

Es uno de los procedimientos de prensa más sencillo. Se usa una perforadora endurecida para acuñar el metal laminado a través de un troquel.

TROQUELADO

Es el modelado de componentes del metal laminado entre una perforadora y un troquel. Los componentes fabricados de esta forma tienen medidas muy exactas y el endurecimiento por medios mecánicos le proporcionan resistencia y rigidez.

FRESADO

El fresado es el empleo de una cortadora giratoria que da forma a la pieza metálica que se trabaja en la maquina. La pieza esta sujeta a una mesa que se puede mover con relación a la fresa.

TALADRO

Taladrar un agujero circular es una de las operaciones más corrientes de cortes de metales. La herramienta cortante suele ser una barra espiral. En industrias son corrientes las taladradoras pluricabezales.

5.3. Tratamientos químicos. 5.3.1. Cementación. Tratamiento mediante el cual se impregna superficialmente un metal con carbono a una temperatura inferior a la de su punto de fusión. Con este procedimiento se aumenta su dureza superficial sin que el metal pierda su tenacidad (el temple aumenta la dureza pero disminuye la tenacidad).

El proceso se realiza en dos etapas: una de aportación del carbono en la que es importante controlar la cantidad y penetración superficial, y otra de distribución. Después de la cementación se deben tratar térmicamente las piezas (temple sencillo, temple + revenido…). - Cementación sólida: Se rellenan cajas con materiales cementantes y piezas metálicas y

se introduce en un horno a temperatura adecuada el tiempo necesario para alcanzar la profundidad necesaria. Este proceso necesita un enfriamiento lento por lo que es difícil controlar la profundidad y homogeneidad de la cementación.

El método tradicional es usar como “cemento” carbón nuevo mezclado con carbón usado (cenizas de huesos, astas…).

2 CO = C + CO2

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- Cementación líquida o cianuración: Calentamiento del metal en un baño de cianuro sódico + (dos sales inertes: cloruro, carbonato sódico). La capa cementada contiene carbono y nitrógeno y aun siendo menos profundidad que en otros procesos posee mayor dureza. Es un método peligroso por la utilización de productos muy venenosos.

- Cementación gaseosa: Los metales pueden cementarse con gases inestables que

aporten carbono. Para ello se calientan en contacto con hidrocarburos (metano, propano, gas natural...), que se descomponen principalmente en carbono e hidrógeno

5.3.2. Nitruración. Es el proceso de endurecimiento superficial de aleaciones férreas mediante el cual se consigue la formación de una capa dura por absorción y difusión de nitrógeno, sin necesidad de tratamiento térmico alguno. - Dureza por nitruración → 1.000 ud. Vikers.

Dureza por cementación → 700 ud. Vikers.

5.3.3. Encalado. Se introduce el metal en una cuba de agua e hidróxido de cal, calentándolo con vapor de agua. Adquiere así al material una ligera capa lubricante para posteriores operaciones de trefilado, estampado... 5.3.4. Fosfatado. Consiste en introducir el metal en una cuba con agua y fosfato de cinc (calentado a partir de vapor de agua) El material adquiere una capa protectora antioxidante y lubricante para procesos posteriores más complejos (más que el encalado). 5.3.5. Decapado. Operación que consiste en limpiar la capa de óxido o calamina del hierro o acero, sumergiendo el material en una cuba de ácido sulfúrico, rebajado en agua y calentado con vapor de agua. Posteriormente, se realiza el enjuague, sumergiendo el material en una cuba de agua corriente, para eliminar los restos de ácido.