Alberto Rossa Laboratorio de Innovación Tecnológica

MetalesIntroducción a los

DefiniciónSe denomina metal a los elementos químicos caracterizados por ser buenos conductores del calor y la electricidad. Poseen alta densidad y son sólidos en temperaturas normales (excepto el mercurio); sus sales forman iones electropositivos (cationes) en disolución.La ciencia de materiales define un metal como un material en el que existe un solapamiento entre la banda de valencia y la banda de conducción en su estructura electrónica (enlace metálico). Esto le da la capacidad de conducir fácilmente calor y electricidad, y generalmente la capacidad de reflejar la luz, lo que le da su peculiar brillo.

Un enlace metálico es un enlace químico que mantiene unidos los átomos (unión entre núcleos atómicos y los electrones de valencia, que se juntan alrededor de éstos como una nube) de los metales entre sí.Estos átomos se agrupan de forma muy cercana unos a otros, lo que produce estructuras muy compactas. Se trata de líneas tridimensionales que adquieren estructuras tales como: la típica de empaquetamiento compacto de esferas (hexagonal compacta), cúbica centrada en las caras o la cúbica centrada en el cuerpo.Los metales poseen algunas propiedades características que los diferencian de los demás materiales. Suelen ser sólidos a temperatura ambiente, excepto el mercurio, y tienen un punto de fusión alto.

Tipos de enlace

IónicoSe establece cuando se combinan

entre sí átomos de metal con átomos de NO metal

MetálicoSe establece cuando se combinan

entre sí átomos de metal

CovalenteSe establece cuando se combinan

entre sí átomos de NO metal

Brillo metálicoLos átomos del metal en estado elemental no son estables

Por eso ceden sus electrones “de sobra” a la superficie del metal, lo que da lugar al brillo característico característico de los metales.

Metales como el oro, la plata y el cobre, fueron utilizados desde la prehistoria. Al principio, sólo se usaron los que se encontraban fácilmente en estado puro (en forma de elementos nativos), pero paulatinamente se fue desarrollando la tecnología necesaria para obtener nuevos metales a partir de sus menas, calentándolos en un horno mediante carbón de madera.El primer gran avance se produjo con el descubrimiento del bronce, fruto de la utilización de mineral de cobre con incursiones de estaño, entre 3500 a. C. y 2000 a. C., en diferentes regiones del planeta, surgiendo la denominada Edad del Bronce, que sucede a la Edad de Piedra.Otro hecho importante en la historia fue la utilización del hierro, hacia 1400 a. C. Los hititas fueron uno de los primeros pueblos en utilizarlo para elaborar armas, tales como espadas, y las civilizaciones que todavía estaban en la Edad del Bronce, como los egipciosNo obstante, en la antigüedad no se sabía alcanzar la temperatura necesaria para fundir el hierro, por lo que se obtenía un metal impuro que había de ser moldeado a martillazos. Hacia el año 1400 AC se empezaron a utilizar los hornos provistos de fuelle, que permiten alcanzar la temperatura de fusión del hierro, unos 1535 °C. Hi

stor

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Los metales poseen ciertas propiedades físicas características, entre ellas son conductores de la electricidad. La mayoría de ellos son de color grisáceo, pero algunos presentan colores distintos; el bismuto (Bi) es rosáceo, el cobre (Cu) rojizo y el oro (Au) amarillo. En otros metales aparece más de un color; este fenómeno se denomina policromismo.Otras propiedades serían:

Maleabilidad: capacidad de los metales de hacerse láminas al ser sometidos a esfuerzos de compresión.Ductilidad: propiedad de los metales de moldearse en alambre e hilos al ser sometidos a esfuerzos de tracción.Tenacidad: resistencia que presentan los metales al romperse o al recibir fuerzas bruscas (golpes, etc.)Resistencia mecánica: capacidad para resistir esfuerzo de tracción, compresión, torsión y flexión sin deformarse ni romperse.

Suelen ser opacos o de brillo metálico, tienen alta densidad, son dúctiles y maleables, tienen un punto de fusión alto, son duros, y son buenos conductores (calor y electricidad).

Propiedades

Una aleación es una combinación, de propiedades metálicas, que está compuesta de dos o más elementos, de los cuales, al menos uno es un metal.Las aleaciones están constituidas por elementos metálicos como Fe (hierro), Al (aluminio), Cu (cobre), Pb (plomo), ejemplos concretos de una amplia gama de metales que se pueden alear. El elemento aleante puede ser no metálico, como: P (fósforo), C (carbono), Si (silicio), S (azufre), As (arsénico).

Las aleaciones presentan brillo metálico y alta conductividad eléctrica y térmica, aunque usualmente menor que los metales puros. Las propiedades físicas y químicas son, en general, similares a la de los metales, sin embargo las propiedades mecánicas tales como dureza, ductilidad, tenacidad y otras pueden ser muy diferentes, de ahí el interés que despiertan estos materiales.

Aleaciones

Cobre

El cobre cuyo símbolo es Cu, es el elemento químico de número atómico 29. Se trata de un metal de transición de color rojizo y brillo metálico que, junto con la plata y el oro, forma parte de la llamada familia del cobre, se caracteriza por ser uno de los mejores conductores de electricidad (el segundo después de la plata). Gracias a su alta conductividad eléctrica, ductilidad y maleabilidad, se ha convertido en el material más utilizado para fabricar cables eléctricos y otros componentes eléctricos y electrónicos.El cobre forma parte de una cantidad muy elevada de aleaciones que generalmente presentan mejores propiedades mecánicas, aunque tienen una conductividad eléctrica menor. Las más importantes son conocidas con el nombre de bronces y latones. Por otra parte, el cobre es un metal duradero porque se puede reciclar un número casi ilimitado de veces sin que pierda sus propiedades mecánicas

Las aleaciones de cobre pueden adaptarse a casi cualquier aplicación.

Existen más de 400 aleaciones de cobre, cada una con una combinación única de propiedades, que se adaptan

a un gran número de aplicaciones, procesos de fabricación y entornos.

Para hacer que el cobre sea lo más versátil posible, se pueden modificar

sus características originales en función del uso final que se le quiera dar,

aleándolo o "mezclándolo" con otros metales. Dos de las aleaciones de

cobre más conocidas, son el latón (donde se mezcla con zinc) y el bronce

(donde se mezcla con estaño).

Video El Cobre

El latón, es una aleación de cobre, cinc (Zn) y, en menor proporción, otros metales. Se obtiene mediante la fundición de sus componentes en un crisol o mediante la fundición y reducción de menas sulfurosas en un horno de reverbero o de cubilote. En los latones industriales, el porcentaje de Zn se mantiene siempre inferior a 50%.

El latón es más duro que el cobre, pero fácil de mecanizar, grabar y fundir. Es resistente a la oxidación, a las condiciones salinas y es maleable, por lo que puede laminarse en planchas finas. Su maleabilidad varía la temperatura y con la presencia, incluso en cantidades mínimas, de otros metales en su composición.

El latón no produce chispas por impacto mecánico, una propiedad atípica en las aleaciones. Esta característica convierte al latón en un material importante en la fabricación de envases para la manipulación de compuestos inflamables, cepillos de limpieza de metales y en pararrayos.

Latón

Las aleaciones en cuya composición predominan el cobre y el estaño (Sn) se conocen con el nombre de bronce y son conocidas desde la antigüedad. Hay muchos tipos de bronces que contienen además otros elementos como aluminio, berilio, cromo o silicio. El porcentaje de estaño en estas aleaciones está comprendido entre el 2 y el 22%. Son de color amarillento y las piezas fundidas de bronce son de mejor calidad que las de latón, pero son más difíciles de mecanizar y más caras.

El bronce se emplea especialmente en aleaciones conductoras del calor, en baterías eléctricas y en la fabricación de válvulas, tuberías y uniones de fontanería. Algunas aleaciones de bronce se usan en uniones deslizantes, como cojinetes y descansos, discos de fricción; y otras aplicaciones donde se requiere alta resistencia a la corrosión como rodetes de turbinas o válvulas de bombas, entre otros elementos de máquinas. En algunas aplicaciones eléctricas es utilizado en resortes.

Bronce

Video El Bronce

Las alpacas o platas alemanas son aleaciones de cobre, níquel (Ni) y zinc (Zn), en una proporción de 50-70% de cobre, 13-25% de níquel, y 13-25% de zinc. Sus propiedades varían de forma continua en función de la proporción de estos elementos en su composición, pasando de máximos de dureza a mínimos de conductividad. Estas aleaciones tienen la propiedad de rechazar los organismos marinos (antifouling). Si a estas aleaciones de cobre-níquel-zinc se les añaden pequeñas cantidades de aluminio o hierro constituyen aleaciones que se caracterizan por su resistencia a la corrosión marina, por lo que se utilizan ampliamente en la construcción naval, principalmente en condensadores y tuberías, así como en la fabricación de monedas y de resistencias eléctricas.Las aleaciones de alpaca tienen una buena resistencia a la corrosión y buenas cualidades mecánicas. Su aplicación se abarca materiales de telecomunicaciones, instrumentos y accesorios de fontanería y electricidad, como grifos, abrazaderas, muelles, conectores. También se emplea en la construcción y ferretería, para elementos decorativos y en las industrias químicas y alimentarias, además de materiales de vajillas y orfebrería.

Alpaca

HierroEl hierro es un elemento químico de número atómico 26 situado en el grupo 8, periodo 4 de la tabla periódica de los elementos. Su símbolo es Fe y tiene una masa atómica de 55,6 u.Es un metal maleable, de color gris plateado y presenta propiedades magnéticas; es ferromagnético a temperatura ambiente y presión atmosférica. Es extremadamente duro y denso.Se encuentra en la naturaleza formando parte de numerosos minerales, entre ellos muchos óxidos, y raramente se encuentra libre. Para obtener hierro en estado elemental, los óxidos se reducen con carbono y luego es sometido a un proceso de refinado para eliminar las impurezas presentes.

Video El Hierro

El término acero sirve comúnmente para denominar, en ingeniería metalúrgica, a una aleación de hierro con una cantidad de carbono variable entre el 0,03 % y el 1,075 % en peso de su composición, dependiendo del grado. Si la aleación posee una concentración de carbono mayor al 2,0 % se producen fundiciones que, en oposición al acero, son mucho más frágiles y no es posible forjarlas sino que deben ser moldeadas.No se debe confundir el acero con el hierro, que es un metal relativamente duro y tenaz, con temperatura de fusión de 1535 °C y punto de ebullición 2740 °C. Por su parte, el carbono es un no metal, blando y frágil en la mayoría de sus formas alotrópicas (excepto en la forma de diamante). La difusión de este elemento en la estructura cristalina del anterior se logra gracias a la diferencia en diámetros atómicos, formándose un compuesto intersticial.

Acero

La diferencia principal entre el hierro y el acero se halla en el porcentaje del carbono: el acero es hierro con un porcentaje de carbono de entre el 0,03% y el 1,075%, a partir de este porcentaje se consideran otras aleaciones con hierro.Cabe destacar que el acero posee diferentes constituyentes según su temperatura, concretamente, de mayor a menor dureza, perlita, cementita y ferrita; además de la austenita.El acero conserva las características metálicas del hierro en estado puro, pero la adición de carbono y de otros elementos tanto metálicos como no metálicos mejora sus propiedades físico-químicas.

Producción mundial de acero (2007), millones de tons. metricas

Video El Acero

En metalurgia, el acero inoxidable se define como una aleación de acero con un mínimo del 10 % al 12 % de cromo contenido en masa. Otros metales que puede contener por ejemplo son el molibdeno y el níquel.El acero inoxidable es un acero de elevada resistencia a la corrosión, dado que el cromo, u otros metales aleantes que contiene, poseen gran afinidad por el oxígeno y reacciona con él formando una capa pasivadora, evitando así la corrosión del hierro (los metales puramente inoxidables, que no reaccionan con oxígeno son oro y platino, y de menor pureza se llaman resistentes a la corrosión, como los que contienen fósforo). Sin embargo, esta capa puede ser afectada por algunos ácidos, dando lugar a que el hierro sea atacado y oxidado por mecanismos intergranulares o picaduras generalizadas. Algunos tipos de acero inoxidable contienen además otros elementos aleantes; los principales son el níquel y el molibdeno.

Acero inoxidable

OroEs un metal precioso blando de color amarillo. Su símbolo es Au (del latín aurum, ‘brillante amanecer’).Es un metal de transición blando, brillante, amarillo, pesado, maleable y dúctil. El oro no reacciona con la mayoría de los productos químicos, pero es sensible y soluble al cianuro, al mercurio y al agua regia, cloro y a la lavandina. Este metal se encuentra normalmente en estado puro, en forma de pepitas y depósitos aluviales. El oro es uno de los metales tradicionalmente empleados para acuñar monedas; se utiliza en la joyería, la industria y la electrónica por su resistencia a la corrosión. Se ha empleado como símbolo de pureza, valor, realeza, etc. El principal objetivo de los alquimistas era producir oro partiendo de otras sustancias como el plomo.

Video El Oro

AluminioEl aluminio es un elemento químico, de símbolo Al y número atómico 13. Se trata de un metal no ferromagnético. Es el tercer elemento más común encontrado en la corteza terrestre. Los compuestos de aluminio forman el 8% de la corteza de la tierra y se encuentran presentes en la mayoría de las rocas, de la vegetación y de los animales. En estado natural se encuentra en muchos silicatos (feldespatos y micas). Como metal se extrae únicamente del mineral conocido con el nombre de bauxita, por transformación primero en alúmina mediante el proceso Bayer y a continuación en aluminio metálico mediante electrólisis. Este metal posee una combinación de propiedades que lo hacen muy útil en ingeniería de materiales, tales como su baja densidad (2.700 kg/m3) y su alta resistencia a la corrosión. Mediante aleaciones adecuadas se puede aumentar sensiblemente su resistencia mecánica (hasta los 690 MPa). Es buen conductor de la electricidad y del calor, se mecaniza con facilidad y es muy barato. Por todo ello es desde mediados del siglo XX el metal que más se utiliza después del acero.

El proceso Bayer es el principal método industrial para producir alúmina a partir de bauxita. Patentado por el austriaco Karl Bayer en 1889 y basado en la disolución de la bauxita con hidróxido sódico, este proceso se fue imponiendo hasta convertirse, a partir de los años 1960, en la única fuente industrial de alúmina y por tanto de aluminio en el mundo.

Video El Aluminio

Aplicaciones

Envase de hoja de lataLata LaCarre©, 1999Corus ResearchReduce en 20% el espacio de la lata redondaPesa 15% menos que la lata tradicional

AluminioAudi A8, 1994Primer auto comercial de carrocería monocasco de AlLigeroExcelente resistencia a la corrosiónReciclable 100%

AluminioDúctil, fácil de formar aleacionesExcelente resistencia a la corrosiónExcelente conductor de la electricidad y el calorReciclable

MacBook Proceso de fabricaciónOctubre 2008

Espuma de AlAlusion©100% reciclablePuede ser post-formada usando calorDensidades variables

Alucobond

Estructura sandwich de Al + polímeroLigeroFlamabilidad aprobada para construcciónVarios coloresResistente a exterioresReciclable

Espuma de AlDuocel©10% del peso del Al sólidoPuede ser cortada, perforada, etc.Variedades de acabados

Adhesivos para metalesChasis Lotus, 1996Al con adhesivo epóxicoPermite secciones de paredes más delgadasEnsamblaje limpioNo existe distorsión

Acero inoxidableSin corrosiónNo requiere acabado/terminadoExcelente durezaPuede usarse con diferentes procesos de prod.

TitanioExcelente resistencia a la corrosiónBuena maleabilidad40% más ligero que el acero y 60% mas resistente que el AlBaja conductividad eléctricaBajo índice de expansión térmica

Acero inoxidable

Pantallas metálicasDecorativasVariado rango de estilos de tejidoInflamablesExtremadamente durablesFáciles de limpiarAnti-graffitti

Tejido metálico Alto potencial decorativoSe puede añadir resina para formar un laminado

Al recicladoSillas Transit, 2000Producción de baja tecnologíaHecho a mano

CromoPulido finoExcelente resistencia a la corrosiónDurableFácil de limpiar

TroqueladoSillas de AlLas hojas son cortadas y dobladas en una sola operaciónAlto costo de maquinariaIdeal para piezas grandesAmplia variedad de espesores

Acero inoxidableProducción a la cera perdidaProduce formas complejasBajo costo de moldes y manufacturaIdeal para bajas producciones

Zinc

Es el tercer metal no-ferroso más empleado después del AlExcelente moldeoExcelente resistencia a la corrosiónEconómicoFácil de producir aleacionesHigiénicoMaleable a 100ºC

Extrusión por impactoProceso desarrollado por Sigg©, 2004Tolera variaciones de espesores de paredesProducción rápidaBajo costo unitarioBajo costo de herramental

Hoja de metal recubierta Diseño: George Walker, 2002Corus©

Sustentabilidad

Ciclo del acero en Europa (2010)

Cifras en millones de Tns. / Vida útil, v = número de años

Diseño conceptual “Future Steel Vehicle”. En los nuevos diseños estructurales para automóviles se pretende ahorrar un 35% de peso la vez que reducir las emisiones totales durante la vida del vehículo en un 70%

Reciclaje aluminio en el mundo (2012)

Fin?