Los elementos metálicos
- 1. MATERIALES DE USO TÈCNICO: MATERIALES METÁLICOS 4.1.- Los metales 4.1.1.- Obtención de los metales 4.1.2.- Tipos de metales 4.2.- Propiedades de los metales 4.2.1.- Propiedades físicas 4.2.2.- Propiedades químicas 4.2.3.- Propiedades ecológicas 4.2.4.- Otras propiedades 4.3.- Metales ferrosos 4.3.1.- El hierro y las fundiciones 4.3.2.- El acero 4.3.3.- Proceso de obtención del acero 4.4.- Metales no ferrosos 4.5.- Técnicas de conformación 4.5.1.- Metalurgia de polvos 4.5.2.- Moldeo 4.5.3.-Deformación 4.6.- Técnicas de manipulación 4.6.1.- Corte y marcado 4.6.2.- Perforado 4.6.3.- Tallado/rebajado 4.6.4.- Desbastado/afinado 4.7.- Uniones 4.7.1.- Desmontables 4.7.2.- Fijas 4.8.- Acabado 4.- MATERIALES DE USO TÈCNICO: MATERIALES METÁLICOS. 4.1 Los metales 4.1.1.- Obtención de los metales Los 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. 1
- 2. 4.1.2.- Tipos de metales Atendiendo 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 ferrrosos: materiales que no contienen hierro o que lo contienen en muy pequeñas cantidades. 4.2.- Propiedades de los metales 4.2.1.- 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: Oxidación 4.2.3.- 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 ferrosos El 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% yel 6,67%. 4.3.1.-El hierro y sus fundiciones El 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 acero Es 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 acero El 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 2
- 3. 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 (CaCO 3) 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, 3
- 4. 4.4.-Metales no ferrosos Nombre Características Usos -Se obtiene a partir de los minerales Fabricación de cables eléctricos CUPRITA, CALCOPIRITA, MALAQUITA. Fabricación de hilos de -Alta conductividad eléctrica telefonía -Alta conductividad térmica Fabricación de bobinas de Cobre (Cu) -Maleable y dúctil motores -Metal blando de color rojizo y brillo Tuberías, calderas, radiadores. intenso. Aplicaciones decorativas y -Se oxida en su superficie, que adquiere, artísticas. entonces, un color verdoso. etc.,……. -Aleación de cobre y zinc Ornamentación decorativa Latón -Resistencia alta a la corrosión Tuberías, condensadores, turbinas, hélices, etc. -Aleación de cobre y estaño Hélices de barco, filtros, Bronce -Elevada ductilidad campanas, fabricación de -Resistente al desgaste y la corrosión engranajes, rodamientos, etc. Alpaca -Aleación de cobre, níquel, cinc y estaño Orfebrería y bisutería, etc. -Aleación de cobre y níquel Utilizados en la fabricación de Cuproníquel monedas -Se obtiene de la GALENA Fabricación de baterías y -Metal de color gris plateado, muy blando acumuladores y pesado En la industria del vidrio y en -Notable maleabilidad y plasticidad óptica se usa como aditivo que Plomo (Pb) -Buen conductor del calor y la electricidad proporciona dureza y añade peso Al ser opaco se emplea contra radiaciones en medicina y en las centrales nucleares -Se obtiene de la CASITERITA Se fabrica el papel de estaño, -Metal de color blanco, brillante, muy y la hojalata, que es una chapa blando de acero cuyas caras están -Poco dúctil, pero muy maleable recubiertas por sen das -No se oxida a temperatura ambiente películas de estaño. -Emite un sonido característico al partirse: Aleado con plomo se usa como Estaño (Sn) « grito de estaño» material de unión de soldaduras blandas Cinc (Zn) Cubiertas de edificios, cañerías, canalones. Mediante un proceso llamado -Se obtiene de la BLENDA y la CALAMINA GALVANIZADO se recubren -Metal de color gris azulado, brillante, piezas con una capa de cinc frágil en frío, y de baja dureza. para protegerlas de la corrosión. 4
- 5. -Se obtiene de la BAUXITA Sustituto del cobre en líneas -Metal banco, plateado, blando, de baja eléctricas de alta tensión densidad y gran maleabilidad y ductilidad Por su baja densidad, en la -Alta resistencia a la corrosión fabricación de aviones, -Alta conductividad térmica y eléctrica automóviles y bicicletas. -Para mejorar sus propiedades mecánicas -Carpintería metálica se alea con otros metales( Cu, Mg, …) con Decoración, bisutería, útiles de lo que se obtienen aluminios muy duros y cocina, botes de bebida, etc. Aluminio (Al) resistentes 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, ect. -Se extrae del RUTILO y la ILMENITA Industria aeroespacial Color blanco plateado Fabricación de prótesis -Brillante, ligero, muy duro y resistente. medicas Elaboración ce aceros especialmente duros Titanio (Ti) Su brillo hace que resulte adecuado en ciertas estructuras arquitectónicas. -Se obtiene del ASBESTO y la MAGNETITA Pirotecnia -Metal de color blanco brillante, similar a En combinación con otros la plata, muy ligero, blando, maleable y metales permite obtener poco dúctil aleaciones muy ligeras, que se Magnesio(Mg) emplean en el sector aeronáutico y fabricantes de motos, automóviles, bicicletas, etc. -Blanco, brillante, tenaz, dúctil, maleable. Aceros inoxidables Níquel (Ni) -Resistente a la corrosión Niquelados de otros metales -Blanco, brillante, muy duro pero frágil Aceros inoxidables -Resistente a la oxidación Aceros para herramientas y Cromo(Cr) objetos decorativos. Cromado de otros metales -Gris, muy duro y pesado Fabricación de filamentos para Wolframio(W) -Buena conductivita eléctrica bombillas incandescentes y de -Alto punto de fusión aceros para herramientas -Metal líquido plateado y muy brillante, de Fabricación de termómetros, Mercurio(Hg) gran densidad y buen conductor eléctrico y bombillas y pilas de botón, etc. térmico. 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 polvo 5
- 6. 2. Se prensa con unas matrices de acero 3. 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 necesario 5. Se deja enfriar Luego 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. 6
- 7. 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. 7
- 8. 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 de arrastre 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 metálicos con secciones y diámetros muy diversos 8
- 9. 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. 9
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- 12. 4.7.- Uniones.- Una vez manipulados, los materiales metálicos se pueden juntar mediante uniones desmontables o fijas. 4.7.1.- 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. 12
- 13. 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. 13
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- 15. 4.8.- Acabado .- El 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. 15