Tema 3. MATERIALES FERROSOS Y NO FERROSOS. CICLOS DE

UTILIZACIÓN

1. METALES NO FERROSOS

1.1 CLASIFICACIÓN DE LOS METALES NO FERROSOS

1.2 EL COBRE Y SUS ALEACIONES

1.3 EL ALUMINIO Y SUS ALEACIONES

1.4 EL TITANIO Y SUS ALEACIONES

1.5 EL MAGNESIO Y SUS ALEACIONES

2. POLÍMEROS

3. MATERIALES CERÁMICOS

4. LOS RESIDUOS

4.1 RESIDUOS SÓLIDOS URBANOS

4.2 RESIDUOS TÓXICOS Y PELIGROSOS

4.3 OTROS RESIDUOS: NEUMÁTICOS

5. METALES FERROSOS

5.1 CLASIFICACIÓN

5.2 DIAGRAMA HIERRO- CARBONO

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1. METALES NO FERROSOS

1.1 CLASIFICACIÓN DE LOS METALES NO FERROSOS

Los metales no ferrosos se pueden clasificar según su densidad:

Tipo Valor de la densidad (d) Ejemplos

Pesados d ≥ 5kg/dm3 Estaño, cobre, zinc, plomo, cromo, níquel, wolframio ycobalto.

Ligeros 2kg/dm3< d < 5kg/dm3 Aluminio y titanio.

Ultraligeros d ≈ 2kg/dm3 Magnesio y berilio.

1.2 EL COBRE Y SUS ALEACIONES

Las características del cobre más importantes son:

• Es muy dúctil y maleable.

• Posee una alta condutividad eléctrica y térmica.

Las aplicacións más comunes del cobre están en el campo de la electricidad. Las aleaciones decobre con menos del 1% de impurezas se emplean para aplicaciones eléctricas. Precisamente,además de la conductividad, es interesante la maleabilidad para el manipulado de cables.

Al añadir al cobre otros metales no ferrosos se mejoran sus propiedades mecánicas y deresistencia a la oxidación, aunque se empeoran ligeramente su conductividad eléctrica y térmica.Las aleaciones más empleadas son el bronce y el latón.

ALEACIÓN COMPOSICIÓN APLICACIONES

Bronce

Cobre y estaño Engranajes, cojinetes esculturas,...

Latón Cobre y zinc Tornillos, tuercas, grifos...

1.3 EL ALUMINIO Y SUS ALEACIONES

Las características más destacadas del aluminio son:

• Es muy ligero e inoxidable.

• Es buen conductor de la electricidad y del calor.

• Es muy maleable y dúctil.

Las aplicaciones del aluminio más destacadas son: conducciones eléctricas (cables de altatensión), papel de aluminio (por su alta maleabilidad), envases y contenedores de todo tipo.También se comercializa en estado puro (en forma de polvo), en este caso, se emplea mezclado conpintura para la protección contra la oxidación de la misma.

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El aumento de la resistencia mecánica del aluminio se consigue por acritud, endurecimientoque experimentan algunos materiales al ser trabajados en frío, y por aleación. No obstante, ambosprocesos disminuyen su resistencia a la corrosión. Al alear el alumnio con otros metales se mejorasu dureza y resistencia.

ALEACIÓN COMPOSICIÓN APLICACIONES

Duraluminio Aluminio y cobre Ruedas, bicicletas...

Aluminio y magnesio Aeronáutica y automoción

Aluminio,cobre y silicio Piezas de moldeo por inyección(ej. pistones de motores)

Alnico Alumnio, níquel y cobalto Imanes

1.4 EL TITANIO Y SUS ALEACIONES

EL titanio posee las siguientes características fundamentales:

• Baja densidad y alto punto de fusión.

• Resistencia a la oxidación y corrosión (mayor que la del acero inoxidable).

• Buenas propiedades mecánicas: alta resistencia, ductilidad y forjabilidad.

En cuanto a las aplicaciones se emplea en la fabricación de estructuras, elementos de máquinasen aeronáutica (aviones, cohetes, transbordadores espaciales, satélites de comunicaciones...),herramientas de corte y en la fabricación de pinturas antioxidantes.

Recientemente se descubrió que la incrustación del titanio en el hueso humano no provocarechazo y, pasado algún tiempo, se produce una soldadura natural. Por eso, se emplea enodontología coma base de piezas dentales y en la unión de huesos, así como en las articulaciones.

1.5 EL MAGNESIO Y SUS ALEACIONES

El magnesio posee las siguientes características:

•En estado líquido o en polvo es muy inflamable.

•Muy baja densidad (d=1,74g/cm3).

En cuanto a las aplicaciones en estado puro destaca la fabricación de productos pirotécnicos(arde en contacto con el aire). Aleado con alumnio, zinc o manganeso se emplea en aeronáuticapor su ligereza.

2. POLÍMEROS

Los polímeros (unión de monómeros) son macromoléculas de origen orgánico (cadenas muylargas de moléculas de carbono e hidrógeno, unidas mediante enlaces covalentes). El procesoquímico para obtenerlos, a partir del petróleo, se denomina polimerización.

Las características más importantes de los plásticos o polímeros son: resistencia a la

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corrosión y aislamiento térmico, eléctrico y acústico. Tienen poca resistencia mecánica y no sonadecuados para usarlos a altas temperaturas. Sus aplicaciones son casi innumerables.

2.1 CLASIFICACIÓN DE LOS POLÍMEROS

En función de su comportamiento frente al calor, los plásticos se clasifican en:termoplásticos, termoestables y elastómeros.

• Termoplásticos. Son aquellos plásticos que, al ser calentados, alcanzan un estado deplasticidad que permite moldearlos con facilidad. Pueden ser conformados en caliente,enfriarlos y posteriormente, tras ser calentados de nuevo, no varían su comportamiento.Tienen estructura lineal. (Ej: polietileno (PE), policloruro de vinilo (PVC), metacrilato(PMMA)...)

• Termoestables. Son aquellos que, una vez moldeados, no pueden recuperar su formaprimitiva. Es decir, si se vuelven calentar, se degradan. Tienen estructura de red. (Ej:fenoles, resinas epoxi...). De difícil reciclaje.

• Elastómeros. Su propiedad característica es la capacidad de deformarse elásticamente. Nose pueden fundir de nuevo. (Ej: caucho, neopreno, silicona...). De difícil reciclaje.

3. MATERIAIS CERÁMICOS

Son compuestos de metales y no metales (compuestos inorgánicos) unidos mediante enlacesiónicos y covalentes. Generalmente, los materiales cerámicos son duros, frágiles, de alto punto defusión, de baja conductividad térmica y eléctrica y alta resistencia a la compresión.

Los materiales cerámicos tradicionales simplemente tienen arcilla, feldespato y sílice. Ejemplosde ellos son los ladrillos, las tejas, la porcelana, etc. empleados en la construcción.

Existe otro grupo de materiales cerámicos, no utilizados tradicionalmente, empleados en elmundo de la ingeniería para la construcción de componentes electrónicos y para la obtención demateriales superconductores. Ejemplos de estos otros materiales cerámicos son: óxido de aluminio,carburo de silicio, nitruro de silicio, perovsquita (CaTiO3).

Los materiales cerámicos se pueden clasificar, atendiendo a su estructura, en cerámicoscristalinos y cerámicos no cristalinos.

Los cerámicos cristalinos se obtienen a partir de sílice fundida. Tanto el proceso de fusión comoel de solidificación posterior son lentos, lo que permite a los átomos ordenarse en cristalesregulares.

Los cerámicos no cristalinos también se obtienen a partir de sílice fundida pero, en este caso, elproceso de enfriamiento es rápido, lo que impide el proceso de cristalización. En este grupo seencuentran los vidrios.

4. LOS RESIDUOS

Las grandes concentraciones humanas producen millares de toneladas de restos que, por suvolumen y composición, no es posible devolver a la naturaleza. Este tipo de residuos son los

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denominados RSU, residuos sólidos urbanos. (Residuos generados por la actividad doméstica)

COMPOSICIÓN DE LOS RSU (“bolsa de basura”)

Materia orgánica Sobras de alimentos, pieles de patatas, … Alrededor del 45%

Papel y cartón En torno al 10%

Plásticos Cada vez es mayor el porcentaje de plásticos en nuestra bolsa de basura

Vidrio

Otros productos Como madera

Las actividades industriales son productoras de otro tipo de residuos, cuyo tratamiento yconfinamiento es más problemático que en el caso de los RSU, ya que producen más daño al medioambiente y a la salud de las personas. Se trata de los RTP, residuos tóxicos y peligrosos. Suelenclasificarse en función de su origen: sanitarios, escombros, agrícola-ganaderos, mineros,...Entre estetipo de residuos encontramos: insecticidas, disolventes, aceites, pinturas, pilas eléctricas,...

4.1 TRATAMIENTO DE LOS RESIDUOS SÓLIDOS URBANOS (RSU)

Los principales tratamientos son: vertedero controlado, incineración, reciclaje, producción demetano y compostaje.

Vertedero controlado

Los residuos se compactan y se cubren con tierra formando capas. Se ha de prever un sistema dedrenaje de lixiviados para evitar la contaminación de acuíferos y chimeneas de salida de gasespara evacuar el metano, producto generado en la descomposición anaerobia de la materia. Una vezllenado el vertedero se cubre de tierra vegetal y puede ser utilizado como espacio público de recreo.

Incineración

Los RSU se queman para eliminar sus partes combustibles. De este modo, su volumen puedellegar a reducirse un 90%.

En la incineración se produce, por lo general, un aprovechamiento energético: producción devapor de alta presión destinados a los grupos turbina-alternador que producen energía eléctrica. (Ej.SOGAMA). El problema más grave de la incineración estriba en la formación de residuos gaseososnocivos. Para reducirlos se incorporan filtros en las chimeneas.

Reciclaje

El reciclaje es el proceso que tiene como objetivo la recuperación de algunos de loscomponentes que contienen los RSU (papel, vidrio, aluminio, plásticos,...). Para llevarlo a cabo senecesita una separación previa. Esta separación se puede llevar a cabo mediante recogidaselectiva, para lo que es necesaria la colaboración ciudadana, o mediante sistemas mecanizados enlos propias plantas de reciclaje, sistema mucho más costoso.

Si se separa la materia orgánica de los RSU del resto de componentes, posteriormente se puedeconvertir en metano o en compost.

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Producción de metano

La descomposición natural, fermentación anaerobia, de la materia orgánica produce un gasrico en metano. Exiten experiencias de plantas de tratamientos de RSU donde se recupera este gaspara enviarlo a la red de gas de la ciudad o para utilizarlo como combustible para la producción deenergía eléctrica. (ej. planta de residuos urbanos de Nostián en Coruña)

Es más común la obtención de biogás a partir de residuos agrícolas-granaderos (biomasa).

Compostaje

La materia orgánica se tritura con objeto de eliminar la mayor cantidad posible del agua quecontiene y se coloca en un dispositivo llamado digestor para acelerar los mecanismos espontáneosde degradación de la propia materia (fermentación anaerobia). El resultado es una especie dehumus que sirve como abono llamado compost.

4.2 RESIDUOS TÓXICOS Y PELIGROSOS (RTP)

Los sistemas básicos de gestión de este tipo de residuos son: incineración, tratamientos físico-químicos y depósitos de seguridad.

Incineración

Los residuos se utilizan como combustibles y el calor producido se utiliza en la producción devapor y electricidad.

No todos los RTP son susceptibles de ser incinerados, bien por su bajo poder calorífico o por sualta contaminación.

Los sistemas de incineración de RTP incluyen dispositivos de control de los gases de combustióngenerados, para su tratamiento antes de ser enviados a la atmósfera.

Tratamiento físico-químico

Los residuos que se someten a estos tratamientos proviene principamente de la industriametálica. Por ejemplo, baños con cromatos, baños con sales metálicas, baños alcalinos,... Estostratamientos tiene como objetivo recuperar materias primas.

En este tipo de tratamientos se producen gran catidad de lodos que deben llevarse a un depósitode seguridad.

Depósitos de seguridad

Se entiende por depósito de seguridad todo aquel vertedero emplazado sobre terrenos geológicosdel suelo o subsuelo destinado al almacenamiento de determinados residuos industrialesconsiderados RTP, con el fin de que sus propiedades nocivas no puedan afectar al medio natural y ala salud humana. El depósito tiene la función de aislar e impermeabilizar los residuos duranteextensos períodos de tiempo.

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4.3 RECICLAJE DE LOS NEUMÁTICOS

Los neumáticos, cuyo componente principal es el caucho (plástico elastómero), una vez que hacumplido su cometido, pasa a convertirse en residuo. Aunque no presenta características detoxicidad ni corrosividad (no es un RTP), es un residuo industrial, que debe ser gestionado porempresas especializadas, ya que su almacenamiento en vertederos incontrolados (práctica habitualhasta no hace mucho tiempo) presenta graves problemas medioambientales como el riesgo deincendio (el caucho es fácilmente inflamable) o los problemas de salubridad; ocupando, además,grandes espacios, debido a que el caucho, dado su carácter elástico. es de difícil compactación.

Algunas de las alternativas actuales al depósito son el recauchutado, la pirólisis, la obtenciónde energía térmica o la reutilización para otros fines.

Recauchutado

Consiste en sustituir la banda de rodadura gastada por otra nueva, con lo que se puede prolongarla duración del resto del neumático.

Pirólisis (tratamiento fisico-químico)

El caucho se convierte en hidrocarburos ligeros mdiante un proceso térmico. De este modo seobtienen productos similares a los de la destilación del petróleo: alquitranes, aceites, gasescombustibles, etc.

Obtención de energía térmica

Los neumáticos de desecho pueden ser empleados como combustible en ciertos hornos. Sinembargo, hay que tener en cuenta el tratamiento de los humos por su elevada contaminación.

5. METALES FERROSOS

Los metales ferrosos son el hierro y sus aleaciones.

4.1 CLASIFICACIÓN

Las principales aleaciones de hierro son con el carbono, según el porcentaje de carbono se tienen:hierro industrial, acero y fundición.

• Se considera industrialmente hierro puro a una aleación de hierro-carbono con uncontenido en carbono inferior al 0,03%.

• Se denomina acero a toda aleación hierro-carbono, cuyo contenido en carbono se sitúa entreel 0,03% y el 1,76%.

• Se denomina fundición a las aleaciones hierro-carbono cuyo contenido en carbono oscilaentre el 1,76% y el 6,67%.

Por encima del 6,67% de carbono, la solución de hierro-carbono ya no es una aleación alperder el carácter metálico.

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El hierro puro presenta tres variedades alotrópicas durante el enfriamiento:

• A 1539ºC el hierro líquido solidifica, formándose hierro δ (estructura BCC).

• A 1394ºC el hierro δ se transforma en hierro γ (estructura FCC).

• A 912ºC el hierro γ se transforma en hierro α(estructura BCC).

Al pasar de la red cristalina BCC a FCC hay una disminución de volumen y, por tanto, un aumento de densidad. Ello esdebido a que en la red FCC los átomos están más “empaquetados” que en la BCC.

4.2 DIAGRAMA HIERRO-CARBONO

En las aleaciones Fe-C se pueden encontrar, en función de la concentración de sus componentesquímicos y de la temperatura, los siguientes constituyentes:

• FERRITA : solución sólida de carbono en hierro α. La proporción de C es como máximoel 0,08%, por este razón se considera a la ferrita como hierro α puro. Es el constituyentemás blando y dúctil de los aceros.

• CEMENTITA (Fe 3C): este constituyente es el carburo de hierro, con un 6,67% de C, defórmula Fe3C. Es el constituyente más duro y frágil de los aceros.

• AUSTENITA: solución sólida de carbono en hierro γ. La proporción de carbono disueltovaría de 0 a 1,76%. Es el constituyente más denso de los aceros.

• PERLITA: mezcla de ferrita y cementita que se da en el punto eutectoide (0,8%C y723ºC)

• DIAGRAMA FE-C, ZONA DE LOS ACEROS

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Aleación III (0,89%C): En a toda la aleación está en estado líquido. En b comienzan a formarsecristales de austenita. En c coexisten dos fases: fase líquida y fase sólida (austenita). En d sesolidifica el último resto de líquido. Entre d y A13 (punto eutectoide) todos los cristales son deaustenita. En A13 todos los cristales de austenita se transforman (a temperatura constante) en unamezcla de cristales de ferrita y cementita, denominada perlita.

Aleación II (C < 0,89%): sucede lo mismo que en la anterior, hasta llegar al punto A3. En estemomento empiezan a transformarse la austenita (cristales de hierro γ) en ferrita o hierro α. En elpunto n conviven los dos tipos de cristales (austenita y ferrita) . Del punto A1 hacia abajo la ferritasigue invariable y la austenita (de concetración 0,89%C) se transforma en perlita.

Aleación IV (C > 0,89%): Sucede lo mismo que en las anteriores hasta llegar al putno Acm dondecomienzan a formarse cristales de cementita. En el punto m conviven los dos tipos de cristales(cementita y austenita). Del punto A1 hacia abajo toda la cementita permanece invariable y laaustenita (de concentración 0,89%C) se transforma en perlita.

DIAGRAMA FE-C COMPLETO

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Cuestiones (Justifica la respuesta en un máximo de 2 líneas)

1. El constituyente más duro de los aceros:

a) La cementita o carburo de hierro.

b) La aleación eutectoide perlita, ya que tiene cementita y ferrita.

c) La martensita que se obtiene tras un tratameinto térmico.

2. Una aleación eutéctica es:

a) La que tiene la misma proporción de soluto que de disolvente

b) La que su composición es tal que solidifica manteniendo constante la temperatura.

c) En realidad no es una aleación, es un compuesto químico.

3. ¿Cuál es el porcentaje máximo de C que puede introducirse en una aleación Fe-C para quela mezcla sea considerada acero?

a) Aproximadamente el 2%.

b) Aproximadamente el 6,67%.

c) Aproximadamente el 4,3%

4. Al calentar hierro desde la temperatura ambiente a la de austenización experimenta:

a) Un aumento de volumen por efecto de la temperatura.

b) Una disminución de volumen al cambiar la estructura cristalina.

c) Se compensa la dilatación con la disminución de volumen al pasar de BCC a FCC.

5. Los bronces son aleaciones de:

a) Cu-Zn b) Cu-Sn c) Sn-Ag

6. El latón es una aleación de:

a) Cu-Sn b) Cu-Zn c) Cu-Ag

7. Los materiales cerámicos se carcterizan por:

d) Alta conductividad térmica yeléctrica.

e) Alta conductividad térmica y baja

eléctrica.

f) Baja conductividad térmica yeléctrica.

8. Un polímero que se descompone por acción del calor y no puede ser reprocesado es:

a) Elastómeros b) Termoplástico. c) Termoestable.

9. ¿Qué abreviatura se utiliza par designar los residuos sólidos urbanos?

a) RTP b) RSU c) RSO

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10. La producción de metano es posible en el tratamiento de residuos:

a) De materia orgánica por fermentación anaerobia.

b) De todo tipo de residuos al realizar una combustión incompleta.

c) Sólidos cualesquiera siempre que sea en un vertedero controlado.

11. Un depósito de seguridad para el tratamiento de residuos tóxicos y peligrosos es:

a) Un contenedor de acero revestido de plástico para que no se oxide.

b) Un contenedor que debe ser de hormigón armado revestido de plomo.

c) Una instalación impermeabilizada y emplazada sobre terrenos geológicamente estables.

12.Al añadir carbono a una aleación de hierro:

a) Aumenta la dureza y disminuye lafragilidad.

b) Aumenta la fragilidad y disminuye lamaleabilidad.

c) Aumenta la fragilidad y disminuye ladureza.

d) Aumenta la dureza y disminuye laductilidad.

13. ¿Qué elemento, junto con el cromo, se utiliza para fabricar acero inoxidable?

a) Cobalto

b) Wolframio

c) Níquel

d) Molibdeno

14. Un acero con un contenido inferioir al 0,4 % de C se denomina:

a) Suave b) Inoxidable c) Duro

15. Un acero con un contenido inferior al 0,89% de C, se denomina:

a. Hipoeutéctico. b. Hipoeutectoide. c. Infraeutéctico.

Actividades

1. Diferencia entre plástico termoplástico y termoestable. Indica dos ejemplos de cada uno de ellos.

2. a) ¿En qué se diferencian una reacción eutéctica de una eutectoide?

b) La transformación eutéctica y eutectoide, ¿se dan a una sola composición? ¿y a una solatemperatura? ¿pueden darse en determinados intervalos de composición y/o temperatura?

3. ¿Qué se entiende por RTP? Explica los tratamientos más frecuentes de los RTP.

4. ¿Cuáles son las diferencias fundamentales entre aceros y fundiciones?

5. Tratamiento de los aceites usados.

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