Un material de uso técnico fundamental:

LOS MATERIALES METÁLICOS

4.1.- Los metales4.1.1.- Obtención de los metales4.1.2.- Tipos de metales

Anexo: Las propiedades de los materiales

4.2.- Propiedades de los metales4.2.1.- Propiedades físicas4.2.2.- Propiedades químicas4.2.3.- Propiedades ecológicas4.2.4.- Otras propiedades

4.3.- Metales ferrosos4.3.1.- El hierro y las fundiciones4.3.2.- El acero4.3.3.- Proceso de obtención del acero

4.4.- Metales no ferrosos4.5.- Técnicas de conformación

4.5.1.- Metalurgia de polvos4.5.2.- Moldeo4.5.3.-Deformación

4.6.- Técnicas de manipulación4.6.1.- Corte y marcado4.6.2.- Perforado4.6.3.- Tallado/rebajado4.6.4.- Desbastado/afinado

4.7.- Uniones4.7.1.- Desmontables4.7.2.- Fijas

4.8.- Acabado

4.1 Los metales4.1.1.- Obtención de los metalesLos metales son materiales que se obtienen a partir de

minerales que forman parte de las rocas. La extracción del mineral se realiza en minas a cielo abierto, si la capa de mineral se halla a poca profundidad, o mina subterránea, si la profundidad es mayor. En ambos tipos de explotaciones se hace uso de explosivos, excavadoras, taladradoras y otra maquinaría, a fin de arrancar el mineral de la roca.

En el yacimiento se encuentran unidos los minerales útiles, o MENA, y los minerales no utilizables, o GANGA. Estos últimos deben ser separados de los primeros mediante diferentes procesos físicos. De entre, las muchas técnicas utilizadas para la separación de la MENA y la ganga, las más importantes son las siguientes:

- TAMIZADO: Consiste en la separación de las partículas sólidas según su tamaño mediante cribas o tamices.

- FILTRACIÓN: Es la separación de partículas sólidas en suspensión en un líquido a través de un filtro.

- FLOTACIÓN: Se trata de la separación de una mezcla de partículas sólidas en un líquido.

Una vez separada la mena de la ganga, el objetivo e extraer el metal de la mena. Para ello es transportada a las industrias metalúrgicas, donde será sometida a distintos procesos con el fin de obtener el material deseado.

La METALÚRGIA es el conjunto de industrias que se encargan de la extracción y transformación de los minerales metálicos.

La SIDERÚRGIA es la rama de la metalurgia que trabaja con los materiales ferrosos; incluya desde la extracción del mineral de hierro hasta su presentación comercial para ser utilizado en la fabricación de productos.

4.1.2.- Tipos de metalesAtendiendo a su procedencia, los metales pueden clasificarse

en:-ferrosos: cuya componente principal es el hierro. Son el hierro

puro, el acero y las fundiciones entre otros.- no ferrosos: materiales que no contienen hierro o que lo

contienen en muy pequeñas cantidades.

A continuación veremos las diferentes propiedades de los metales, haciendo un alto para recordar las propiedades de los materiales en general

Las propiedades de los materiales

Las propiedades de un material son el conjunto de características que hacen que se comporte de una manera determinada ante estímulos externos como la laz, el calor, la aplicación de fuerzas, el ataque de agentes quimicos, etc.

1.-CLASIFICACIÓN DE LOS MATERIALES

materiales naturales: Son aquellos que se encuentran en la naturaleza. Constituyen los materiales básicos a partir de los cuales se fabrican los demás productos. Son, por ejemplo, la arcilla, la lana, el esparto, etc.

materiales artificiales: Son aquellos que se obtienen a partir de otros materiales que se encuentran en la naturaleza y no han sufrido transformación previa. También lo son aquellos productos fabricados con varios materiales que sean en su mayoría de origen natural. Así, tenemos el hormigón y los bloques de hormigón.

materiales sintéticos: Están fabricados por el hombre a partir de materiales artificiales. El ejemplo más característico lo constituyen los plásticos.

2.- ALGUNAS PROPIEDADES DE LOS MATERIALES

Propiedades físicas: Entre las que cabe destacar las siguientes

Propiedades sensoriales: A menudo elegimos los materiales dependiendo del efecto que puedan producir en alguno de nuestros sentidos. Así, el tacto el olor, la forma, el brillo, la textura y el color serían propiedades que englobaríamos en este tipo de propiedades.

Propiedades ópticas: Se refieren a la reacción del material cuando la luz incide sobre él. Así tenemos materiales opacos, que no permiten que la luz los atraviese; materiales transparentes, que dejan pasar la luz, y materiales translúcidos, que permiten que penetre la luz pero no dejan ver nítidamente a través de ellos.

Propiedades térmicas: Describen el comportamiento de un material frente al calor. Por lo general, los metales son buenos conductores del calor. Hay otros materiales, denominados aislantes, que evitan que el calor los atraviese con facilidad. Ejemplos de ello son el algodón, la lana, la fibra de vidrio, los poliuretanos, etc.

Propiedades eléctricas: Todas las sustancias, en mayor o menor grado, son conductoras de la corriente eléctrica y también, según

ciertas características de construcción y naturaleza, ofrecen una resistencia al paso de corriente. La resistencia eléctrica de un material conductor depende de su naturaleza. Esta propiedad específica de cada sustanciase denomina resistividad (ρ). De acuerdo con su resistividad, los materiales se clasifican en conductores (resistividad muy pequeña) y aislantes (resistividad muy grande). Además existen otros, denominados semiconductores que son la base de todo los componentes electrónicos.

Propiedades magnéticas: Se refieren a la capacidad que tiene un metal ferroso (hierro y sus aleaciones) para ser atraído por un imán, así como la posibilidad de las propiedades magnéticas del imán sean transferidas al metal.

Propiedades mecánicas: Están relacionadas con la forma que reaccionan los materiales cuando actúan fuerzas sobre ellos. Las más importantes son:

1. Elasticidad.- Capacidad que tiene algunos materiales para recuperar su forma, una vez que ha desaparecido la fuerza que los deformaba.

2. Plasticidad.-Habilidad de un material para conservar su nueva forma una vez deformado. Es opuesto a la elasticidad.

3. Ductilidad.- Es la capacidad que tiene un material para estirarse en hilos.

4. Maleabilidad.- Aptitud de un material para extenderse en láminas sin romperse,

5. Dureza.- Oposición que ofrece un cuerpo a dejarse rayar o penetrar por otro o, lo que es lo mismo, la resistencia al desgaste.

6. Fragilidad.- Es opuesto a la resiliencia. El material se rompe en añicos cuando una fuerza impacta sobre él.

7. Tenacidad.- Resistencia que opone un cuerpo a su rotura cuando está sometido a esfuerzos lentos de deformación.

8. Fatiga.- Deformación de un material sometido a cargas variables, inferiores a la rotura, cuando actúan un cierto tiempo o un número de veces.

9. Maquinabilidad.- Facilidad que tiene un cuerpo a dejarse cortar por arranque de viruta.

10. Acritud.- Aumento de la dureza, fragilidad y resistencia en ciertos metales como consecuencia de la deformación en frío.

11. Colabilidad.- Aptitud que tiene un material fundido para llenar un molde.

12. Resiliencia.- Resistencia que opone un cuerpo a los choques o esfuerzos bruscos.

Propiedades químicas: Una de las más importantes es la relativa a la oxidación y corrosión.

La oxidación se produce cuando un material se combina con el oxigeno, transformándose en óxidos más o menos complejos. Sigue el esquema siguiente

material + oxigeno --------› óxido del material ∓ energía

El signo + que precede a la energía indica que la reacción es exotérmica y transcurre hacia la formación del óxido. En cambio el signo − indica que la reacción es endotérmica, el material será de difícil oxidación.

La corrosión se produce cuando la oxidación de un material se lleva a cabo en un ambiente húmedo o en presencia de otras sustancias agresivas. Esta es mucho más peligrosa para la vida de los materiales que la oxidación simple, pues en un medio húmedo la capa de oxido no se deposita sobre el material, sino que se disuelve y acaba por desprenderse.

Propiedades ecológicas: Según el impacto que producen en el medio ambiente, los materiales los podemos clasificar en:

1. Reciclables: Son aquellos que se pueden reutilizar. El reciclaje contribuye a la conservación de los recursos naturales y, además, evitan la acumulación de grandes cantidades de residuos.

2. Tóxicos: Estos materiales son dañinos para el medio ambiente.

3. Biodegradables: Es la descomposición natural de los materiales en sustancias más simples.

4.2.- Propiedades de los metales4.2.1.- Propiedades físicas: Mecánicas: Dureza, resistencia mecánica, plasticidad,

elasticidad, maleabilidad, tenacidad, ductilidad, etc.

Térmicas: Conductividad térmica, dilatación y contracción, fusibilidad, soldabilidad, etc.

Eléctricas y magnéticas.4.2.2.- Propiedades químicas: Oxidación4.2.3.- Propiedades ecológicas: La mayoría de los

metales son reciclables. Algunos, como el plomo y el mercurio, son tóxicos para los seres vivos por lo que hay que tener cuidado en su uso, limitando mucho los residuos de estos.

4.2.4.- Otras propiedades: Impermeabilidad, buenos conductores acústicos.

4.3.- Metales ferrososEl hierro se obtiene de la magnetita, el oligisto (sobre todo una

de sus variedades, el hematites), la limonita, la pirita y la siderita. Además del hierro puro, se utilizan también las aleaciones.

Una aleación es una mezcla de dos o más elementos químicos, al menos uno de los cuales, el que se encuentra en mayor proporción, ha de ser metal.

Las aleaciones de hierro se obtienen añadiendo a este metal carbono. Según el porcentaje de dicho elemento tenemos:

- Hierro puro: la concentración de carbono se sitúa entre 0,008% y 0,03%

- Acero: la concentración de carbono se sitúa entre 0,03% y el 1,76%

- Fundición : la concentración de carbono se sitúa entre el 1,76% y el 6,67%.

4.3.1.-El hierro y sus fundicionesEl hierro es un metal de color blanco grisáceo que tiene buenas

propiedades magnéticas. Se corroe con facilidad, tiene un punto de fusión elevado y es de difícil mecanizado. Resulta frágil y quebradizo. Esto hace que tenga escasas utilidad. Se emplea en componentes eléctricos y electrónicos. Para mejorar sus propiedades mecánicas, el hierro puro se combina con carbono en las proporciones indicadas anteriormente.

La fundición presenta una elevada dureza y una gran resistencia al desgaste. Se utiliza para fabricar diversos elementos de maquinaria, carcasas de motores, bancadas de maquinas, farolas, tapas de alcantarilla, etc.

4.3.2.- El aceroEs una aleación del hierro con una pequeña cantidad de

carbono. De este modo, se obtienen materiales de elevada dureza y tenacidad y con una mayor resistencia a la tracción. Es decir, se consigue una notable mejoría en las propiedades mecánicas.

Además de hierro y carbono, los aceros pueden contener otros elementos químicos, a fin de mejorar o conseguir propiedades

especificas. Se obtienen así los aceros aleados. Los metales más empleados para elaborar dichos aceros son los siguientes: Silicio (confiere elasticidad y carácter magnético a la aleación), manganeso (aporta dureza y resistencia al desgaste), cromo (aumenta la dureza y la resistencia al calor resulta necesario para hacer el acero sea inoxidable), níquel (mejora la resistencia a la tracción y aumenta la tenacidad, además de conferir una mayor resistencia a la corrosión), wolframio (se añade para incrementar la dureza del acero y mejorar su resistencia a la corrosión y el calor),molibdeno, el titanio, el niobio o el vanadio.

4.3.3.-Proceso de obtención del aceroEl proceso siderúrgico incluye un considerable número de pasos

hasta la obtención final del acero. En primer lugar, y con el fin de eliminar las impurezas, el mineral de hierro es lavado y sometido a procesos de trituración y cribado. Con ello, se logra separar la ganga de la mena.

A continuación, se mezcla el mineral de hierro (mena) con carbón y caliza (CaCO3) y se introduce en el interior de un alto horno a más de 1500 ˚C. De este modo se obtiene el arrabio, que es mineral de hierro fundido con carbono y otras impurezas. El arrabio obtenido es sometido a procesos posteriores con objeto de reducir el porcentaje de carbono y eliminar impurezas. En estos procesos se ajusta la composición del acero, añadiendo los elementos que procedan en cada caso: cromo, níquel, manganeso…

El primero de estos procesos es la carga (llenado) del recipiente, denominado convertidor. A continuación, se introduce en el convertidor un tubo que inyecta oxígeno provocando una intensa combustión (afino). Después, se inclina el convertidor y se elimina la escoria superficial (vaciado). Por último, se vuelca totalmente para vaciar el convertidor

Nombre Características UsosCobre (Cu) -Se obtiene a partir

de los minerales CUPRITA,

Fabricación de cables eléctricos

Fabricación de hilos

CALCOPIRITA, MALAQUITA.

-Alta conductividad eléctrica

-Alta conductividad térmica

-Maleable y dúctil-Metal blando de

color rojizo y brillo intenso.

-Se oxida en su superficie, que

adquiere, entonces, un color verdoso.

de telefoníaFabricación de

bobinas de motoresTuberías, calderas,

radiadores.Aplicaciones decorativas y

artísticas.etc.,…….

Latón

-Aleación de cobre y zinc

-Resistencia alta a la corrosión

Ornamentación decorativaTuberías,

condensadores, turbinas, hélices, etc.

Bronce

-Aleación de cobre y estaño

-Elevada ductilidad-Resistente al desgaste y la

corrosión

Hélices de barco, filtros, campanas,

fabricación de engranajes,

rodamientos, etc.

Alpaca -Aleación de cobre, níquel, cinc y estaño

Orfebrería y bisutería, etc.

Cuproníquel-Aleación de cobre y

níquelUtilizados en la fabricación de

monedas

Titanio (Ti)

-Se extrae del RUTILO y la ILMENITA

-Color blanco plateado-Brillante, ligero, muy

duro y resistente.

Industria aeroespacialFabricación de

prótesis medicasElaboración ce aceros especialmente duros

Su brillo hace que resulte adecuado en ciertas estructuras

arquitectónicas.4.4.-Metales no ferrosos

Nombre Características Usos

Plomo (Pb)

-Se obtiene de la GALENA

-Metal de color gris plateado, muy blando

y pesado-Notable maleabilidad

y plasticidad-Buen conductor del calor y la electricidad

Fabricación de baterías y

acumuladoresEn la industria del

vidrio y en óptica se usa como aditivo que proporciona dureza y

añade pesoAl ser opaco se emplea contra radiaciones en

medicina y en las centrales nucleares

Estaño (Sn)

-Se obtiene de la CASITERITA

-Metal de color blanco, brillante, muy

blando-Poco dúctil, pero

muy maleable-No se oxida a temperatura

ambiente-Emite un sonido característico al

partirse: « grito de estaño»

Se fabrica el papel de estaño, y la hojalata, que es una chapa de

acero cuyas caras están recubiertas por sen das películas de

estaño.Aleado con plomo se usa como material de unión de soldaduras

blandas

Cinc (Zn)

-Se obtiene de la BLENDA y la CALAMINA

-Metal de color gris azulado, brillante, frágil en frío, y de

baja dureza.

Cubiertas de edificios, cañerías, canalones.Mediante un proceso

llamado GALVANIZADO se recubren piezas con

una capa de cinc para protegerlas de la

corrosión.

Cromo(Cr)

-Blanco, brillante, muy duro pero frágil

-Resistente a la oxidación

Aceros inoxidablesAceros para

herramientas y objetos decorativos.Cromado de otros

metales

Nombre Características UsosAluminio (Al) -Se obtiene de la

BAUXITASustituto del cobre en

líneas eléctricas de

-Metal banco, plateado, blando, de baja densidad y gran

maleabilidad y ductilidad

-Alta resistencia a la corrosión

-Alta conductividad térmica y eléctrica-Para mejorar sus

propiedades mecánicas se alea

con otros metales( Cu, Mg, …)

con lo que se obtienen aluminios

muy duros y resistentes

alta tensiónPor su baja densidad, en la fabricación de

aviones, automóviles y bicicletas.

-Carpintería metálicaDecoración, bisutería,

útiles de cocina, botes de bebida, etc.El aluminio mezclado con bronce de lugar al DURALUMINIO, que presenta alta

resistencia a la corrosión, elevada

dureza y gran resistencia mecánica.

Fabricación de estructuras de

aeroplanos, etc.

Magnesio(Mg)

-Se obtiene del ASBESTO y la MAGNETITA

-Metal de color blanco brillante, similar a la plata,

muy ligero, blando, maleable y poco

dúctil

PirotecniaEn combinación con

otros metales permite obtener aleaciones muy ligeras, que se

emplean en el sector aeronáutico y

fabricantes de motos, automóviles,

bicicletas, etc.

Níquel (Ni)

-Blanco, brillante, tenaz, dúctil,

maleable.-Resistente a la

corrosión

Aceros inoxidablesNiquelados de otros

metales

Nombre Características Usos

Wolframio(W)

-Gris, muy duro y pesado

-Buena conductivita eléctrica

-Alto punto de fusión

Fabricación de filamentos para

bombillas incandescentes y de

aceros para herramientas

Mercurio(Hg) -Metal líquido Fabricación de

plateado y muy brillante, de gran densidad y buen

conductor eléctrico y térmico.

termómetros, bombillas y pilas de

botón, etc.

Otra forma que tenemos de clasificar a los materiales metálicos no ferrosos es atendiendo a su densidad, es decir, la relación entre la masa del material expresada en kilogramos y el volumen que ocupa, expresado en metros cúbicos. Así, los distinguimos los metales pesados, metales ligeros y metales ultraligeros.

Metales pesados: cobre y las aleaciones de éste, es decir, el latón. la alpaca, el cuproníquel y el bronce, el plomo, el estaño y el cinc

Metales ligeros y ultraligeros: el aluminio, el titanio y el magnesio.

Veamos las distintas densidades de estos metalesMetal Densidad(g/cm3

)Metal Densidad(g/

cm3)Wolframio 19,26 Estaño 7,29Mercurio 13,55 Cromo 7,19

Plomo 11,34 Cinc 7,13Níquel 9 Titanio 4,43Cobre 8,92 Aluminio 2,7Hierro 7,88 Magnesio 1,74

4.5.-Técnicas de conformación Para obtener piezas de diferentes formas (láminas, planchas,

barras, etc.) se somete el material a una serie de procesos de conformación que se eligen en función del metal y de la aplicación que se vaya a dar al mismo.

4.5.1.-Metalurgia de polvos.- Esta técnica consta de los siguientes pasos:

1. El metal es molido hasta convertirlo en polvo2. Se prensa con unas matrices de acero3. Se calienta en un horno a una temperatura próxima (70 %) a

la temperatura de fusión del metal

4. Se comprime la pieza para que adquiera el tamaño necesario5. Se deja enfriarLuego se somete a tratamientos para ajustar sus dimensiones y

propiedades mecánicas. Esta técnica se emplea en la fabricación de piezas metálicas de gran precisión: cojinetes, herramientas de corte, etc.

4.5.2.-Moldeo: Consiste en introducir el metal en un recipiente que dispone de una cavidad interior. Dicho recipiente, denominado molde, puede estar fabricado a base de arena, acero o fundición. Las diferentes aplicaciones de las piezas así obtenidas dependen de la técnica de moldeo empleada: moldeo de arena (bloques ce motores, bocas de incendio), moldeo en metal (piezas pequeñas y aleaciones de bajo punto de fisión) y moldeo en cera (objetos decorativos, joyería, objetos artísticos, álabes de turbinas, piezas de odontología).

4.5.3.-Deformación: Comprende un conjunto de técnicas en las que se modifica la forma de una pieza metálica mediante la aplicación de fuerzas externas. Esta deformación se puede llevar a cabo tanto en frió como en caliente. La deformación en frió tiene las siguientes ventajas con respecto a la deformación en caliente:

Mejor acabado de la superficie Mayor control de las dimensiones de las piezas Mejora de las propiedades mecánicas.

Sin embargo, en la deformación en frió es necesario un mayor aporte de energía para llevar a cabo el proceso.

Distinguimos las siguientes técnicas:

Laminación: Se hace pasar la pieza metálica por una serie de rodillos llamados laminadores, que lo comprimen, con lo que disminuye su grosor y aumenta su longitud. Este proceso se suele hacer en caliente y se emplea para obtener planchas, chapas, barras, perfiles estructurales, etc.

Forja: Se somete la pieza metálica a esfuerzos de compresión repetidos mediante una maza. Existe la forja manual y la industrial o mecánica. En ambos tipos de forja, la pieza metálica inicial suele estar caliente. Con esta técnica pueden obtenerse piezas muy diversas.

Extrusión: Se hace pasar la pieza metálica por un orificio que tiene la forma deseada, aplicando una fuerza de compresión mediante un émbolo o pistón. Es una técnica idónea para obtener barras, tubos y perfiles variados, así como marcos de ventana, bisagras, etc.

Estampación: Se introduce una pieza metálica en caliente entre dos matrices o estampas, una fija y otra móvil, cuya forma coincide con la que se desea dar al objeto. A continuación se juntan las dos matrices con lo que el material adopta su forma interior. Se emplea en la construcción de carrocerías de automóviles, radiadores, etc.

Doblado: Este proceso se realiza en frío y en el se somete una plancha a un esfuerzo de flexión a fin de que adopte una forma curva. Esta técnica también permite obtener piezas con ángulos. Este proceso se realiza, igualmente, en frío

Embutición: Es un proceso de conformación en frío que consiste en golpear una plancha de forma que se adapte al molde o matriz con la forma deseada. Se emplea para obtener piezas huecas, como cojinetes, a partir de chapas planas

Trefilado: Se hace pasar la punta afilada de un alambre por un orificio con las dimensiones y la forma deseada. A continuación, se aplica una fuerza de tracción mediante una bobina giratoria. De este modo, al atravesar el alambre el orificio, aumenta su longitud y, en consecuencia, disminuye su sección. Esta técnica se emplea para fabricar hilos o cables con secciones y diámetros muy diversos.

4.6.- Técnicas de manipulación. En el proceso de fabricación de objetos metálicos, las técnicas

de conformación proporcionan en la mayoría de los casos piezas con formas definitivas. Sin embargo , en ocasiones resultan inaplicables y es necesario recurrir a las denominadas técnicas de manipulación, que se llevan a cabo con herramientas y máquinas especificas a partir de materiales prefabricados, como planchas, barras y perfiles. Entre las operaciones destacamos el corte y marcado, el perforado, el tallado/rebajado y desbastado/afinado.

4.7.- Uniones.Una vez manipulados, los materiales metálicos se pueden juntar mediante uniones desmontables o fijas4.7.1.- Uniones desmontables: Permiten la unión y separación de las piezas mediante elementos roscados, sin que se produzca rotura de los elementos de unión ni deterioro de las piezas

4.7.2.- Uniones fijas: A diferencia de las anteriores, en las uniones fijas no es posible separar las piezas sin que estas se deterioren o se produzca la rotura del elemento de unión. Se utilizan cuando no se prevé la separación o desmontaje de las piezas unidas

4.8.- AcabadoEl acabado de un producto consiste en la aplicación de lacas,

pinturas, y esmaltes con una doble finalidad: por un lado, protegerlo de la humedad y la corrosión; por el otro, embellecerlo al proporcionar brillo y color al objeto acabado.