Tema Nº 8 Aleaciones No Ferrosas
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TEMA N° 08 METALES Y ALEACIONES NO FEROSAS MATERIALES INDUSTRIALES PI-513
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Curso de materiales industriales
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TEMA N° 08
METALES Y ALEACIONES NO FEROSAS
MATERIALES INDUSTRIALES PI-513
Temario• Aluminio y Magnesio.
Aleaciones ligeras y ultraligeras. Diagramas de Fases. Normas y especificaciones. Resistencia a la corrosión. Aplicaciones en la industria de procesos químicos.
• Aleaciones de Cobre y Aleaciones de Níquel. Diagramas de Fases. Normas y especificaciones. Resistencia a la corrosión. Aplicaciones en la industria de procesos químicos.
Bibliografia Ciencia de Materiales para Ingenierìa, Peter Thornton Ciencia e Ingeniería de Materiales, Donald Askeland GORDON, Phillips; "Structure and Properties of Alloys" MANTELL; "Materials Handbook" FONTANA, Greene; "Corrosion Engineering" AVNER, Sydney; "Introducción a la Metalurgia Física" LAJTIN Yu; "Metalografía y Tratamiento Térmico de los metales" NACE; "Basic Corrosion Course" "Materials of Construction"; Chem.Eng.Nov.24, 1986. "Ceramics in Chemical Service" Chem. Eng. Oct.24, 1988. "The basics of Stainless Steel"; Chem.Eng. Oct. 18, 1982. "Glass-lined equipments"; Chem.Eng.Apr 27, 1987.
METALES Y ALEACIONES NO FERROSAS: Al, Mg, Cu
• Introducción• Aleaciones ligeras y
ultraligeras.• Diagramas de Fases.• Normas y especificaciones.• Resistencia a la corrosión. • Aplicaciones en la industria
de procesos químicos
INTRODUCCIÓN MATERIALES NO FERROSOS, CONSTITUYEN UNA ALTERNATIVA
TECNOLÓGICAMENTE MUCHOS MÁS AMPLIA Y ÚTIL EN EL DESARROLLO INDUSTRIAL DE UN PAÍS.
La matriz del hierro no es suficiente para consolidar las aplicaciones y amplitud de uso que demanda el nivel técnico y de vida que demanda las naciones y sus poblaciones.
Se conocen incluso alternativas en los no metálicos, como los materiales compuestos, que son inorgánicos y orgánicos, en las que se incluye la Fibra de Carbono.
Los No ferrosos entre otras propiedades que la hacen especiales, presenta:
Buena resistencia a la corrosión Poco peso Buena conductividad térmica y eléctrica.
Clasificación de Materiales
MATERIALES
METALICOS
FERROSOS
Hierro y sus derivaciones
NO FERROSOS
Aluminio, Magnesio, Zinc,
Oro
NOMETALICOS
ORGANICOS
Polímeros y sus derivaciones,
plástico, caucho
INORGANICOS
Cemento, Granito , vidrio,
cerámicos,
CLASIFICACIÓN DE NO FERROSOS PESADOS, Densidad > 5 kg/dm3: Cobre
(Cu),
Plomo (Pb), Cinc (Zn), Estaño (Sn), Níquel (Ni), Cromo (Cr), Cobalto (Co), Mercurio (Hg) y el Wolframio (W).
LIGEROS, Densidad 2 – 5 kg/dm3 :Aluminio (Al) y Titanio (Ti)
ULTRALIGEROS, Densidad < 2 kg/dm3 :Magnesio (Mg) y Berilio (Be)
1 Kg/dm3 = 1kg/L = 1 g/cm3
entocnes
ALUMINIO• Tanto el aluminio como sus aleaciones se caracterizan por la
relativa baja densidad, las elevadas conductividades eléctricas y térmicas, y la resistencia a la corrosión.
• Por su elevada ductilidad, se puede trabajar con facilidad hasta convertirlo en papel.
• Su principal limitación es la baja temperatura de fusión.
El aumento de la resistencia mecánica del aluminio se consigue por acritud y por aleación.
• No obstante, ambos procesos disminuyen su resistencia a la corrosión. Los elementos mas comunes en la aleación de aluminio son cobre, magnesio, silicio y cinc.
• Las aleaciones se suelen clasificar en aleaciones para moldeo y aleaciones para forja
ALUMINIO
Clasificación y Designaciones• Las aleaciones destinadas a deformación en frío o caliente se designan de acuerdo con
la Norma "Aluminum Standards and Data", Aluminum Association Inc. 1976:• Aleación: X1 X2 X3 X4
• X1 caracteriza el principal elemento de aleación:• 1 Al 99%• 2 Cu• 3 Mn• 4 Si• 5 Mg• 6 Mg y Si• 7 Zn• 8 Otros
• X2 indica una aleación modificada respecto de la original, de este modo si X2 = 0, indica la aleación original.
• X3 y X4: dependen de la serie, de esta forma se tiene que:• Para la serie 1XXX, X3 y X4 implican 99, donde X3 X4 indican el % de Al. • Para las series 2 a 8, estos dígitos no tienen un significado muy preciso, sólo
diferencian aleaciones
Designación según nivel de dureza por deformación y recocido
• F : (as fabricated), no se dan límites a las propiedades mecánicas.• O : Recocido y recristalización• H : Endurecido por deformación• T : Tratado térmicamente• El endurecimiento H se puede subdividir: HX1X2X3, donde:• - X1 =1: sólo endurecido por deformación;
=2: endurecimiento por deformación + recocido parcial; = 3: endurecimiento por deformación + estabilización a baja
temperatura• - X2 indica el grado de endurecimiento por deformación, donde 1 es
mínimo y 8 es máximo.• - X3 representa las variaciones del endurecimiento indicado por X2.
Designación por tratamiento térmico
• T1 : Producto enfriado desde la temperatura de fabricación, y luego envejecido naturalmente
• T3 : Solución, trabajada en frío y con envejecimiento natural
• T4 : Solución con envejecimiento natural• T5 : igual a T1, pero con envejecimiento artificial• T6 : igual a T4, pero con envejecimiento artificial• T7 : Solución y estabilizado• T8 : Solución, trabajado en frío y con envejecimiento
artificial
Aleaciones Al - Mg, Serie 5XXX
• En general estas aleaciones contienen 1 a 5 % de Mg.
• Si bien la forma del diagrama de fases se presta para endurecimiento por precipitación, este endurecimiento es significativo solo para % Mg > 7.
• La mayor cantidad de Mg queda en solución sólida y sobre 3,5% de Mg precipita Mg2Al3 a baja temperatura.
• El Mg endurece la aleación y le aumenta su coeficiente de acritud, n,
• Muchas de estas aleaciones se usan con fines decorativos, ya que poseen buena formabilidad y soldabilidad con arcos protegidos con Argón.
Figura 6.3-1. Diagrama de fases del Al-Mg.
Endurecimiento por precipitación de una aleación Al - 4%Cu
a. Tratamiento de solución: se alcanza región a 515 °Cb. Temple rápido a temperatura ambiente o menor; es importante que este enfriamiento sea realizado rápidamente para evitar cualquier precipitación de CuAl2c. Envejecimiento o precipitación de finos precipitados de segunda fase.
Endurecimiento por precipitación de una aleación Al - 4%Cu
Aleaciones Aluminio-Silicio, Al-Si
La Figura muestra el diagrama de fases Aluminio – Silicio, el que presenta un punto eutéctico. El Silicio se desarrolla en forma faceted. Cuando el crecimiento se efectúa a baja velocidad, la fase Si se desarrolla con formas geométricas más regulares.Si se agrega Na a la aleación el Silicio toma forma de fibras más cortas aumentando la ductilidad de la aleación Figura 1.8-18 (a).
(a) (b)
(a) Aleación Al-Si refinamiento mediante la adición de Na;
(b) Fibras de Si en aleación eutéctica Al-Si modificada con Na, observa ción con microscopio electrónico de barrido.
Aleación Al – Si hipoeutéctica (<12,6%Si)
Islotes blancos son dendritas de fase , muy rica en Al.
La matriz es eutéctico + Si.
El Si aparece como agujas muy finas, revelando que fue refinado por adición de Na.
MAGNESIO• La característica más relevante es su
densidad, por tanto se utilizan por su bajo peso.
• El magnesio tiene una estructura cristalina HC, relativamente blanda.
• A temperatura ambiente el magnesio y sus aleaciones se deforman con dificultad debido a la estructura cristalina.
• Químicamente, las aleaciones de magnesio son inestables y susceptibles a la corrosión marina. pero son relativamente resistentes a la corrosión atmosférica.
• Las aleaciones de magnesio se clasifican en moldeables y forjables, algunas se pueden tratar térmicamente. Los elementos más comunes son aluminio, cinc y manganeso. DIAGRAMA DE FASES DEL MAGNESIO
COBRE (Cu)Se obtiene de los siguientes minerales:
• Cuprita (óxido de cobre) hasta 88% Cu.• Calcopirita (Sulfuro de hierro y cobre),
principal mena del cobre.• Malaquita (Hidróxido de Cobre) 55 % Cu.• Cobre nativo cobre puro, con 1% Cu.
CARACTERÍSTICAS: Muy buen conductor de la
electricidad y calor. Muy dúctil y maleable Puede ser soldado con estaño con
facilidad.
ALEACIONES DEL COBRE
CINC (Zn)Se obtiene de los siguientes minerales:
• Calamina• Blenda (40 – 50 % Zn)
CARACTERÍSTICAS: Peso medio, poco dúctil, poco
tenaz, y frágil. poco maleable en frío, pero sí
entre 100 – 150 ºC. Puede ser soldado con estaño
con facilidad. Los objetos de cinc no son
atacados por lejías, detergentes, jabones.
ESTAÑO (Sn)Se obtiene de la CASITERITA (Óxido de estaño).
CARACTERÍSTICAS: Metal blando, flexible y maleable en frío. Muy dúctil y maleable en hojas muy finas. Alto poder colorante. a Tª ambiente inalterable al aire, pero fundido
se oxida fácilmente. a – 20 ºC se descompone y se convierte en
polvo gris (peste del estaño).
APLICACIONES:
Hojalata, acero recubierto de estaño, resiste la corrosión.
Aleaciones: Bronce (Cu + Sn), Antifricción (Cu, Sn, Pb y Sb), Soldadura blanda (Sn y Pb).
NÍQUEL (Ni)Se obtiene de los minerales NIQUELINA y GARNIERITA.
CARACTERÍSTICAS: Es inoxidable, inalterable a la
corrosión. Resiste los agentes atmosféricos
(aire y humedad) y químicos (ácidos).
Dúctil y maleable. Difícil de soldar.
APLICACIONES Revestimiento para envases, por su inalterabilidad y poder anticorrosivo.Niquelado: recubrimiento superficial. Aceros inoxidables.
TEMA N° 09
METALES REACTIVOS
MATERIALES INDUSTRIALES PI-513
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Tema N° 09: Metales ReactivosTemario
• Metales reactivos. Titanio, zirconio y Tántalo. Usos en la Industria de procesos químicos. Propiedades de resistencia a la corrosión.
• Metales para servicios a alta temperatura. Aleaciones de metales refractarios. Aleaciones ferrosas. Resistencia a las temperaturas.
METALES REACTIVOS
• Metales reactivos:• Titanio• Zirconio y • Tántalo. • Usos en la Industria de
procesos químicos. • Propiedades de resistencia a
la corrosión
TITANIO (Ti)
• Características:
Biocompatibilidad: No tóxico
Resistencia a la Corrosion y humedad
Propiedades Mecánicas– Bajo módulo de Young’s: 40 GPa
Aleaciones del Titanio
• En las Fases• Aleaciones Aerospacial
– Ti-6Al-4V• Aleaciones Biomedicas
– Ti-Mo-Zr-Fe– Ti-Nb-Zr-Ta– others
Fases del Titanio• Equilibrio:
– α: HEC bajo de 883° C– β: BCC Cerca de 883° C
• No-equilibrio:– α’: Fase martensitico que precedes a la formaciòn
α.– α”: Fase martensitic ortorombica ; ocurre en
aleaciones con alto contenido de elementos refractarios.
– ω: Fase submicroscopic, no-martensitico, transformaciones de baja difusión
Zirconio y ZrO2
• El zirconio (Zr), se encuentra formando parte de numerosos minerales. La principal fuente de zirconio se obtiene del mineral zircón (Silicato de zirconio, ZrSiO4).
• El zircón se obtiene como subproducto de la minería y procesado de minerales de metales pesados de titanio, la ilmenita (FeTiO3) y el rutilo (TiO2), y también de estaño.
• El ZrO2, es el producto que reúne propiedades cerámicas y componentes en aleaciones para aceros.
ZrO2
Metal Zr
Zirconio
• En estado puro, el circonio existe en dos formas:
* Cristalina, un metal blando, blanco y dúctil;
* Amorfa, un polvo negro-azulado.
Ambas formas son insolubles en agua, ligeramente solubles en alcohol y completamente solubles en ácido fluorhídrico. El metal arde en el aire a 500 °C
USOS del ZrSe usa en:• Intercambiadores de calor, • Carcasas de bombas, • Válvulas y otros equipos sujetos a la corrosión de los ácidos.
Aleaciones Zircalloy-2 y Zircalloy-4, contienen 1,5% de estaño, se usan en los reactores nucleares como material de revestimiento para los elementos de uranio combustible, y como material estructural.
Presenta excelente resistencia a la corrosión a temperaturas moderadamente altas, buena resistencia mecánica, ductilidad y su facilidad de fabricación.
El circonio es especialmente aconsejable en los reactores nucleares, debido a su baja sección eficaz de absorción de neutrones.
TANTALIO (Ta)Tantalio o Tántalo, es un elemento metálico blanco, dúctil y maleable. .
• Propiedades• El tantalio es soluble en los álcalis fundidos,
insoluble en ácido sulfúrico, clorhídrico y nítrico, y soluble en ácido fluorhídrico.
• Arde en el aire para formar pentóxido de tantalio, Ta2O5, una sustancia blanca e infusible que se combina con los óxidos o hidróxidos metálicos para formar compuestos llamados tantalitas.
• El “ácido tantálico”, TaO5 x H2O es un precipitado gelatinoso que se produce añadiendo agua al TaCl5
• El tantalio tiene un punto de fusión de 2.996 °C, un punto de ebullición de 5.425 °C y una densidad de 16,6 g/cm3.
Aplicaciones del Ta• La mayor aplicación del tantalio es en condensadores de circuitos
electrónicos y en rectificadores de circuitos de bajo voltaje, tales como los de los sistemas de señalización de ferrocarriles.
• Puesto que es más resistente que el platino a muchos agentes corrosivos, el tantalio ha sustituido ampliamente al platino en patrones de masa y en artículos de laboratorio.
• Debido a su resistencia al ataque de los ácidos del cuerpo humano y a su compatibilidad con el tejido corporal, se utiliza para unir huesos rotos.
• El tantalio también se usa en instrumentos quirúrgicos y dentales y en intercambiadores de calor.
• El óxido es un ingrediente de los cristales ópticos especiales para lentes de cámaras aéreas.
