Materiales de uso técnico. Metales 6/6

Primera edición Enero 2000

Primera revisión Enero 2002



Materiales de uso técnico. Metales.

  1. Introducción.

Los metales se obtienen de minerales, que son rocas naturales que contienen el metal que deseamos extraer junto con otros elementos químicos en distintas proporciones. Por lo tanto los metales no se encuentran en la naturaleza, tal como nosotros los conocemos, si no que es necesario procesar los minerales para obtener los metales. El proceso de extracción del metal de su mineral, cambia en cada caso, los primeros metales que se fabricaron fueron el cobre y una aleación llamada bronce. El aluminio por el contrario es un metal que se ha podido fabricar hace poco tiempo.

Como los metales no se suelen encontrar en la naturaleza tal como los conocemos, si no que necesitan de un proceso de extracción; no están tan disponibles como la madera, por ejemplo, por este motivo los metales se han empezado a emplear mas tarde que la madera. Los primeros metales que se emplearon fueron el cobre y el oro, ya que se pueden encontrar en la naturaleza tal como los conocemos, aunque en pequeñas cantidades. Sin embargo el aluminio, aunque se conoce desde antiguo no se ha empezado a emplear hasta hace poco, ya que no se conocían procesos industriales para extraer, el aluminio de la bauxita.

Los metales son mas duros y resistentes que la madera, conducen el calor y la electricidad y se pueden fundir y deformar para construir barras, planchas, láminas, tubos, alambres o otras formas específicas.

El mejor conductor de la electricidad es la plata y el peor el bismuto. Todos los metales se contraen con el frío y se dilatan con el calor (coeficiente de dilatación positivo).

  1. Metales férreos.

Los metales férreos se caracterizan por que su principal componente es el hierro. En la extracción del hierro se emplea el carbón dando lugar a varias aleaciones de hierro y carbono. Conforme aumenta el contenido en carbono de una aleación férrica aumenta su dureza y su fragilidad y disminuye la plasticidad. Estudiaremos los metales férreos desde el hierro que es el que menos carbono tiene hasta la fundición que es la aleación férrea con mas carbono.

    1. Hierro. (C<0.1%)

El hierro es sin duda el más importante de los metales, por su abundancia y por sus aplicaciones industriales. Los principales minerales de hierro son: magnetita, oligisto, limonita, y siderita.

El hierro es un material duro, tenaz, resistente, trabajable y muy dúctil. Se emplea en la fabricación de perfiles, la elaboración de acero y de un sinfín de piezas metálicas. Consideramos hierro a una aleación férrea de hierro y carbono con un contenido de carbono inferior al 0.1%.

La temperatura de fusión del hierro es de 15360C y su densidad de 7.86 g/cm3.

    1. Aceros. (0.1%<C<1.7%)

El acero es una aleación metálica, formada por hierro y carbono principalmente, aunque pude contener otros componentes como el Vanadio y el cromo, para hacerlo mas duro o inoxidable respectivamente.

Es un material muy duro y resistente y flexible, se emplea para construir estructuras, vehículos, maquinas, herramientas y un sinfín de objetos mas.

Los aceros parten de un 0.1% de contenido de carbono hasta el 1.7%. Vamos a clasificar a los aceros según su contenido en carbono:

  1. Aceros con bajo contenido en carbono o aceros suaves (C 0.1% - 0.3%).

El acero bajo en carbono es mas duro y menos plástico que el hierro y tiene una resistencia mas alta a la tracción. Su densidad es de 7.8g/cm3 y funde a 1600 0C. Se comercializa en perfiles de distintas formas para posteriormente transformarlo en otras piezas.

Las aplicaciones del acero bajo en carbono, se relacionan con su deformabilidad o plasticidad; se emplea en la fabricación de productos que pueden deformarse en frío, como: tornillería, clavos, herrajes para muebles, andamios, estanterías o las carrocerías de distintos vehículos.

  1. Aceros con un contenido medio de carbono (C 0.3% - 0.7%).

Al aumentar su contenido de carbono aumenta la dureza y disminuye su plasticidad. Aprovechando su dureza, se emplea en la fabricación de piezas sometidas a desgaste, como los engranajes o los segmentos del pistón de un motor de explosión. También se emplea en la fabricación de herramientas y en piezas que deben ser tenaces, ya que con este contenido en carbono, el acero no es todavía muy frágil.

  1. Aceros con alto contenido en carbono o aceros duros (C 0.7% - 1.3%).

Por último los aceros con un alto contenido de carbono, se emplean en la fabricación de herramientas de corte casi exclusivamente ya que el aumento de dureza, también implica un aumento de fragilidad.

  1. Acero inoxidable.

El acero inoxidable es una aleación de hierro, carbono y cromo o níquel, el contenido de cromo está entre el 13 y el 27%. Además del cromo y el níquel pueden contener otros metales para añadir nuevas características.

La principal característica del acero inoxidable es su resistencia a la corrosión debido a la protección que le da el níquel, que se oxida en la superficie. El óxido de níquel es un material duro que impide que la corrosión penetre en el interior de la pieza de acero inoxidable.

El acero inoxidable se emplea en la fabricación de cubiertos, fregaderos, menaje de cocina, instrumentos quirúrgicos y piezas de maquinaria expuestas a la corrosión.

    1. Fundición.

La fundición es el hierro que se obtiene en los altos hornos, antes de ser “refinado”; tiene un alto por-centaje de carbono (C 3% - 6%) y de otras impuerezas. La fundición o hierro colado es muy dura, por su alto contenido en carbono, pero muy frágil, las acumulaciones de carbono provocan fracturas en la estructura que la hacen muy vulnerable a los golpes y a los esfuerzos de tracción. Funde a una temperatura entre 1400 y 1500 ºC.

La fundición es un material especialmente útil para realizar piezas fundidas en moldes. Se emplea en la construcción de bloques para motores soportes de y carcasas herramientas, tapaderas de alcantarillas y otros registros, etc.

  1. Metales no férreos.

    1. Cobre. (Cu)

El cobre es un metal de color rojizo. Es blando, dúctil y maleable, por lo tanto, fácil de trabajar; es buen conductor del calor y de la electricidad, funde a 1080 ºC y tiene una densidad de 8 g./Cm3. El cobre es uno de los primeros metales utilizados, ya que podemos encontrarlo, en algunas ocasiones, en estado natural, aunque es mas habitual encontrarlo en forma de minerales.

Sus aplicaciones se relacionan con su alta conductividad eléctrica y térmica. Se emplea en la fabricación de conductores eléctricos, circuitos impresos, material eléctrico y electrónicos, calderas, radiadores, soldadores eléctricos, tuberías y utensilios de cocina. También se emplea para elaborar aleaciones como el latón y el bronce.

    1. Aluminio. (Al)

El aluminio es un metal de color blanco brillante, aunque cuando se oxida su color pasa a ser de un gris apagado. El aluminio se extrae de la bauxita y es un metal, menos denso, (más ligero) que los anteriores pero muy resistente, es buen conductor del calor y de la electricidad aunque menos que el cobre. Una característica muy valiosa es que sólo se oxida muy superficialmente y esta capa de óxido impide que el material se siga deteriorando. El aluminio es un material blando y dúctil funde a 660 ºC y tiene una densidad de 2.7 g./Cm3.

Se emplea en la construcción de aviones y estructuras de poco peso, escaleras, latas de bebidas, utensilios de cocina, cables de alta tensión y para envolver alimentos, en forma de láminas finas o de recipientes desechables.

Su baja densidad lo hace adecuado para el transporte, por lo que se emplea cada vez mas en automóviles, aviones, e incluso en la construcción.

    1. Plomo. (Pb)

Metal dúctil, maleable, blando y muy pesado, de color gris azulado y con baja temperatura de fusión; esta última característica lo hace adecuado para aleaciones empleadas en soldadura y fusibles. Es conductor tanto del calor como de la electricidad, aunque no muy bueno. Su principal aplicación consiste en la elaboración de acumuladores eléctricos y aleaciones de estaño para soldar. Otra característica que no debemos olvidar es su alta toxicidad.

El plomo tiene una temperatura de fusión de 3280C y un densidad de 11.34g/cm3.

    1. Estaño. (Sn)

El estaño no se oxida en contacto con el aire, e igual que el plomo tiene un baja temperatura de fusión y es blando, dúctil y maleable. Su baja temperatura de fusión lo hace adecuado como metal de soldadura, una de sus principales aplicaciones. Como no se oxida se emplea como recubrimiento en las latas de conservas y en la hojalata.

El estaño tiene una temperatura de fusión de 2310C y un densidad de 7.3g/cm3.

    1. Oro y plata. (Au) y (Ag)

El oro es un metal amarillo que se puede encontrar en la naturaleza tal como lo conocemos, es un metal blando, buen conductor del calor y la electricidad, muy maleable y prácticamente inalterable. Tanto el oro como la plata y el platino, son materiales muy caros prácticamente reservados para la elaboración de productos de joyería, aunque también se utilizan como componentes químicos en algunos procesos industriales, generalmente como catalizadores.

La plata es el mejor conductor del calor y de la electricidad, aunque no se emplea habitualmente como conductor por su elevado precio. Es un metal dúctil y maleable aunque menos que el oro, es químicamente muy estable y blando. La plata también se emplea en la fabricación de material fotográfico, como carretes fotográficos, radiografías, papel fotográfico, etc.

El oro tiene una temperatura de fusión de 10630C y un densidad de 19.3g/cm3.

La plata tiene una temperatura de fusión de 960.80C y un densidad de 10.5g/cm3.

  1. Aleaciones.

Con las aleaciones, combinamos las propiedades de varios metales para conseguir un compuesto con las propiedades deseadas. La aleación se construye fundiendo los componentes y mezclándolos y haciéndoles reaccionar químicamente. Cuando la mezcla se enfría obtenemos una aleación con propiedades distintas a la de sus componentes

    1. Bronce.

El bronce es una aleación de cobre y estaño, aunque también tiene pequeñas cantidades de plomo, cinc y plata. El bronce es una aleación dura, superada por el acero, pero mas resistente a la corrosión que este y mas lubricable y tiene un punto de fusión bajo.

    1. Latón.

El latón es una aleación de cobre y cinc de color amarillento, muy dúctil y maleable. La temperatura de fusión es inferior a la del cobre.

El latón no se oxida y admite bien el pulido superficial, por lo que se emplea en la fabricación de objetos decorativos. Los latones especiales, que contiene estaño, manganeso, aluminio o hierro aumentan su resistencia mecánica y a la corrosión, lo que los convierte en adecuados para piezas de barcos y grifería.

    1. Superaleaciones eutécticas.

Se consiguen con una solidificación direccional e introduciendo pequeñas cantidades de otro metal que va formando hilos o tiras delgadas que aumenta la resistencia de la pieza fabricada, de forma similar a como el acero aumenta la resistencia del hormigón aramado.

  1. Trabajo del metal.

    1. Deformación.

Como su propio nombre nos indica, las técnicas de trabajar los metales basadas en la deformación, consiste en deformar los metales aplicando fuerzas.

      1. Estampación y troquelado.

Consiste en colocar una lámina metálica entre dos piezas metálicas con formas complemntarias y comprimir estas dos piezas con una prensa. La lámina tomará la forma de estas piezas o troqueles. Las láminas se deforman e incluso se taladran por este método, de una forma rápida y eficiente. Si la deformación es compleja se realiza en varios pasos mediante un troquelado progresivo.

Se fabrican por este método, radiadores, arandelas, carrocerías de coche, rejillas de ventilación, etc. El material empleado es acero de bajo contenido en carbono u otros metales laminados.

      1. Forja.

Este método de conformación se realiza en caliente para aumentar la plasticidad del material; consiste en colocar un bloque metálico a una temperatura alta (Rojo vivo o rojo blanco) sobre un molde y golpear con fuerza hasta que la pieza tome la forma del molde. Para terminar una pieza esta se hace pasar por varios troqueles hasta alcanzar su forma definitiva.

      1. Encabezado en frío.

Consiste en formar la cabeza de tornillos, remaches, clavos, etc, colocándolos en un molde con la forma de la parte recta y una zona mas ancha con la forma de la cabeza. La forma se consigue golpeando la pieza metálica hasta que esta toma la forma de la cabeza.

Para dar forma mediante este proceso se emplean metales muy plásticos como el hierro, el latón o el acero con bajo contenido de carbono.

      1. Laminado en frío o en caliente.

El laminado consiste en dar forma a una pieza de metal, lámina o perfil, haciéndole pasar por dos rodillos complementarios presionando uno sobre el otro. La pieza pasa por varios rodillos que de forma progresiva van adaptando la forma de la pieza original hasta la forma que se quiere conseguir.

Por este método de deformación se fabrican todo tipo de perfiles metálicos, como vigas, barras en “L”, perfiles cuadrados huecos, etc.

Dependiendo de la deformación que se desea conseguir y de la plasticidad del metal se empleará el laminado en frío o en caliente.

      1. Extrusión.

La extrusión consigue dar forma a los metales aplicando fuerzas de tracción o de compresión. La extrusión hacia delante consiste en empujar el metal a una temperatura alta para hacerle salir por un agujero o troquel con la forma que deseamos darle al perfil. Este método de fabricación se emplea para fabricar perfiles de aluminio de formas complejas como los empleados en carpintería metálica.

La extrusión en frío se emplea para estirar una pieza de metal hasta darle la forma deseada. Por este método se fabrican las latas de bebidas, estirando un tubo de mayor grosor que el conseguido en la lata.

    1. Moldeado.

Dar forma a los metales mediante moldeado consiste en fundirlos hasta convertirlos en líquido e introducirlos en un molde, por gravedad o a presión.

      1. Fundición en arena.

Los moldes de arena se emplean para dar forma a metales que funden a una temperatura muy alta, por lo que no se pueden emplear metales para el molde. El proceso a seguir comienza con la colocación de una pieza modelo en una base de arena, posteriormente se rellena el resto con arena húmeda y se presiona; por último se saca el modelo, se cierra el molde y se echa el metal fundido, que rellenará la cavidad.

Los tornillos de banco y los bloques de motores se fabrican por este método.

      1. Fundición a presión.

La fundición a presión se usa con metales de una temperatura de fusión baja. El método consiste en introducir el metal líquido a presión en un molde metálico; la presión se mantiene mientras se solidifica el metal. Por este procedimiento se pueden conseguir piezas de formas complejas y de alta precisión.

      1. Sinterizado.

El sinterizado consiste en fabricar piezas metálicas sometiendo a presión en un molde polvos metálicos; la pieza prensada se introduce posteriormente en un horno para tomar la forma definitiva. Con este proceso de fabricación se consiguen piezas metálicas muy precisas que no necesitan mecanizado posterior. También se emplea este método de fabricación para construir piezas autolibricadas.

    1. Mecanizado.

Mecanizar consiste en dar forma a una pieza mediante el arranque de virutas. Son operaciones de mecanizado: serrar, taladrar, limar, tornear o el fresado.

  1. Bibliografía.

James Garratt: Diseño y tecnología (segundo ciclo), editorial Akal.

Varios autores: Microsoft encarta 98, Microsoft corporatión.

Varios autores: Enciclopedia universal Micronet, Micronet.

Varios autores: Del clavo al oredenador, MEC

© Leoncio Venteo http://roble.pntic.mec.es/~lventeo Enero 2000