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BLOQUE 2: MATERIALES

OBJETIVOS

Transmitir con precisión conocimientos sobre materiales, identificando sus propiedades, las aplicaciones industriales principales y sus repercusiones medioambientales.

CONTENIDOS

Estado natural, obtención y transformación de los materiales más utilizados.

Propiedades más relevantes. Aplicaciones características.

Nuevos materiales. Características.

Impacto ambiental producido por la obtención, transformación y desecho de los materiales.

Estructura interna y propiedades. Técnicas de modificación de las propiedades.

CRITERIOS DE EVALUACIÓN

Describir los materiales más habituales en su uso técnico, identificar sus propiedades y aplicaciones

más características, y analizar su adecuación a un fin concreto. Se pretende comprobar la aplicación de los conceptos relativos a las propiedades de los materiales con el fin de seleccionar el idóneo para una aplicación real. Igualmente si se valoran las distintas propiedades y otros aspectos económicos, medioambientales y estratégicos que condicionan una elección adecuada para un determinado uso técnico.

1. CLASIFICACIÓN DE LOS MATERIALES Todos los objetos que usamos cotidianamente están construidos a partir de diferentes materiales, elegidos en cada caso atendiendo a sus propiedades adecuadas para cada uso. Debido al desarrollo tecnológico se buscan nuevos

materiales o tratamientos que mejoren sus propiedades. Esto supone un gran avance tecnológico, con materiales con altas calidades a precios cada vez más competitivos. Podemos definir los materiales como sustancias que, a causa de sus propiedades, resultan de utilidad para fabricar

estructuras, máquinas y otros productos para usos diversos. A lo largo de la historia el hombre ha ido utilizando diferentes materiales disponibles en su entorno, como la madera, piedras, metales, etc. Su utilización para fabricar herramientas y objetos ha supuesto una mejora de la calidad de

vida del ser humano, hasta el punto de que su evolución se divide en periodos de tiempo que se designan por el nombre del material empleado preferentemente (edad de piedra, de bronce, de hierro y del silicio). En cuanto a su empleo actual, se pueden clasificar en tres grandes grupos:

Materiales naturales: son los que se encuentran en la naturaleza. Constituyen los materiales básicos a partir de los cuales se fabrican los demás productos (madera, lana, arcilla, oro, etc.). El hombre a lo largo de la historia ha mejorado las técnicas para localizar y extraer estos materiales, muchos de los cuales se pueden

llegar a agotar. Por tanto, es importante reciclar en lo posible, ahorrando recursos y reduciendo costes.

Materiales artificiales: son los que se obtienen a partir de materiales naturales o varios materiales principalmente naturales, como por ejemplo el hormigón (arena, grava, cemento y agua).

Materiales sintéticos: son los que se obtienen a partir de materiales artificiales, esto es, no se encuentran

en la naturaleza ni ellos ni los materiales que los componen, como por ejemplo los plásticos.

2. PROPIEDADES DE LOS MATERIALES Ningún material sirve para fabricar todos los productos, teniendo que tener unas características determinadas que

dependen del producto final. Los ingenieros deben sopesar las ventajas e inconvenientes de cada material y elegir el adecuado atendiendo a las necesidades requeridas. Por ello es necesario saber sus principales características. Salvo las propiedades estéticas y económicas, las propiedades de un material dependen de su estructura interna, condicionando su comportamiento durante el proceso de fabricación, a la vez que le confieren utilidad para unas aplicaciones u otras. Por tanto podremos modificar las propiedades de un material si modificamos su estructura interna, procesos que dependen del tipo de material. Por ejemplo, en el caso de los metales se consigue al alearlos entre sí o al someterlos a tratamientos térmicos.

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2.1 PROPIEDADES SENSORIALES A veces elegimos el material atendiendo a las sensaciones que nos producen en nuestros sentidos (visuales, auditivos, táctiles, olfativos y gustativos). Así por ejemplo, la ropa de vestir, la buscamos que sea agradable al tacto (mejor la

fibra natural que la artificial). Otras veces nos influye el olor, color, forma, textura o brillo. Como norma general, los materiales naturales tienen atributos sensoriales intrínsecos (propios de cada uno), mientras que a los artificiales es necesario dotarles de cualidades sensibles y comunicativas. Por ejemplo a un plástico que no posee cualidades

sensoriales intrínsecas, es posible dotarle de multitud de texturas, olores, colores o formas.

2.2 PROPIEDADES FÍSICAS: DENSIDAD Y PESO ESPECÍFICO

Densidad (d): es la relación existente entre la masa de una determinada cantidad de material y el volumen que ocupa. En el SI, se mide en Kg/m3. La magnitud inversa a la densidad, se llama volumen específico.

Peso específico (Pe): es la relación existente entre el peso de una determinada cantidad de material y el volumen que ocupa. En el SI, se mide en N/m3.

Estas propiedades son muy importantes en aplicaciones como la aeronáutica, pues determinan la elección del material.

2.3 PROPIEDADES FÍSICAS: ELÉCTRICAS Todas las sustancias son más o menos conductoras de la electricidad, ofreciendo mayor o menor resistencia al paso de

la corriente. La resistencia eléctrica de un material conductor depende, ente otros factores, de su naturaleza, esto es, del grado de movilidad de los electrones ante un campo eléctrico.

Se denomina resistividad (ρ) a la resistencia que ofrece al paso de corriente un elemento de ese material de 1 m de

longitud y 1 m2 de sección. Se mide en Ωm. La propiedad contraria a la resistividad se llama conductividad (σ).

Como norma general, los materiales se clasifican, atendiendo a su resistividad, en conductores (ρ muy baja) como la

mayor parte de los metales (Au, Cu y Al principalmente) y el grafito, y aislantes o dieléctricos (ρ muy alta) como la

madera, materiales cerámicos o los plásticos, debido a que sus átomos carecen prácticamente de movilidad. Existen otros materiales llamados semiconductores, constituidos por silicio dopado con impurezas de tipo n (arsénico, fósforo) o de tipo p (galio, boro), que son la base de todos los componentes electrónicos.

2.4 PROPIEDADES FÍSICAS: TÉRMICAS

Es el comportamiento de los materiales frente al calor. Hay materiales buenos conductores del calor (metales) y otros son aislantes, impidiendo que el calor los atraviese con facilidad (algodón, lana, fibra de vidrio, etc.) por conducción.

Entre las propiedades de los materiales relacionadas con la temperatura tenemos:

La dilatación térmica (∆L), que es el aumento de tamaño de los materiales conforme aumenta la

temperatura. Puede producirse una dilatación de longitud, superficie o volumen. En el caso de la dilatación

lineal, la longitud final del material será: L = L0 (1 + α.∆t), donde α es el coeficiente de dilatación lineal

del material (midiéndose en K-1). Existen tablas con la dilatación de diferentes sustancias sólidas o líquidas.

El calor específico (C), que es la cantidad de energía calorífica que es necesario aportar a la unidad de masa de dicha sustancia para elevar su temperatura un grado. En el SI, se mide en J/(Kg.K), aunque también se ve en cal/(g.ºC). La energía calorífica Q que será necesaria comunicar para que una masa m pase de una

temperatura T1 a otra superior T2, será: Q = m.C.(∆T). Hay tablas con el calor específico de algunas

sustancias.

El punto de fusión, que es la temperatura a la cual un material pasa de estado sólido a estado líquido. Es una propiedad característica de cada material, viniendo acompañada en casi todas las sustancias (excepto

algunas como el agua) de un aumento de volumen.

2.5 PROPIEDADES FÍSICAS: MAGNÉTICAS Es el comportamiento de un material frente a un campo magnético exterior, pudiéndose clasificar en tres grupos:

Materiales ferromagnéticos (Fe, Co, Ni y sus aleaciones). En su interior el campo magnético es mucho mayor

que en el exterior, por lo que se utilizan como núcleos magnéticos en transformadores y bobinas de circuitos eléctricos y electrónicos.

Materiales paramagnéticos (Al, Mg, Pt, Pd, O, etc.). En su interior el campo magnético es algo mayor que en el aplicado exterior.

Materiales diamagnéticos (Bi, Hg, Au, Ag, Cu, Na, H, N, etc.). Se opone al campo magnético aplicado, de forma que en su interior el campo magnético es más débil.

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2.6 PROPIEDADES FÍSICAS: ÓPTICAS Es la reacción de un material cuando incide la luz (radiaciones electromagnéticas llamadas fotones) sobre él, comportándose de una manera u otra. Los materiales opacos impiden que la luz les atraviese, absorbiendo o

reflejando totalmente la luz. Los materiales transparentes permiten que la luz les atraviese. Los materiales translúcidos permiten que pase la luz, pero no dejan ver nítidamente a través de ellos (se ve difuso). Otro tipo de materiales son sensibles a la luz, como las placas solares.

2.7 PROPIEDADES QUÍMICAS Uno de los factores que limita de forma notable la vida de un material es la alteración química que experimenta en

procesos de oxidación y corrosión.

Oxidación: La reacción de un material con el oxígeno forma óxidos más o menos complejos que producen el deterioro del material. Hay materiales que son prácticamente inoxidables (Au, Ag, Al, etc.), en algunos casos

por cubrirse rápidamente de una capa de óxido que les protege contra la oxidación (reacción endotérmica, absorbe energía produciendo una oxidación muy lenta). Otros se oxidan muy rápidamente (Fe, Co, Mo, W, etc.), penetrando en poco tiempo el oxígeno del aire hacia el interior del material (reacción exotérmica, desprende energía formando óxido rápidamente). En el caso de los aceros, lo que se hace es alearlos con otro

material (por ejemplo con Al, Cr o Si) que se oxida más rápidamente, formando una capa de óxido que le protege y ralentiza la reacción.

o Cuando un material se encuentra en una atmósfera oxidante, su superficie se oxida más o menos

rápidamente dependiendo del material. El óxido formado se deposita en la parte exterior del material recubriéndolo por completo. Para que la oxidación continúe, el oxígeno debe atravesar (por difusión) la capa de óxido, que se comporta oponiéndose tanto al movimiento de los átomos de

óxido como a los del material. Hay capas de óxidos que presentan más oposición al movimiento de los átomos que otros. Cuanta más alta es la temperatura a la que se encuentra el material, mayor es la velocidad con que se produce la oxidación.

Corrosión: La oxidación de un material en un ambiente húmedo o en presencia de otras sustancias agresivas, recibe el nombre de corrosión. Es más peligrosa que la oxidación simple, pues en un ambiente húmedo la capa de óxido no se deposita sobre el material, sino que se disuelve y acaba por desprenderse. Además no se presenta de forma uniforme, sino en determinados puntos donde el ataque es mayor. Sus consecuencias pueden provocar importantes fisuras que producen la rotura del material por fatiga.

2.8 PROPIEDADES MECÁNICAS

Indican el comportamiento de un material cuando se encuentra sometido a fuerzas externas. Entre las propiedades de fabricación destacan:

Elasticidad: es la capacidad de un material para recuperar su forma una vez que ha desaparecido la fuerza

que lo deformaba.

Plasticidad: es la capacidad de un material para conservar su nueva forma una vez deformado. Es lo opuesto a la elasticidad.

Ductilidad: es la capacidad de un material para estirarse en hilos (Cu, Au, Al, etc.).

Maleabilidad: es la capacidad de un material para extenderse en láminas finas sin romperse (Al, Au, etc.).

Dureza: es la oposición que opone un material a ser rayado o dejarse penetrar por otro.

Resiliencia: es la resistencia que opone un material frente a choques o esfuerzos bruscos.

Fragilidad: es lo opuesto a la resiliencia, rompiéndose el material cuando una fuerza actúa sobre él.

Tenacidad: es la capacidad de un material para soportar sin romperse los esfuerzos que se le apliquen.

Fatiga: es la deformación (que puede llegar a la rotura o “límite de fatiga”) de un material sometido a cargas variables durante un tiempo o durante un número determinado de veces.

Maquinabilidad: es la capacidad de un material para dejarse cortar por arranque de viruta (aceros).

Acritud: es la capacidad de un material para mejorar su dureza, fragilidad y resistencia debido a su deformación en frío (forja).

Colabilidad: es la capacidad de un material fundido para llenar un molde.

Las propiedades anteriores se valoran con exactitud mediante ensayos mecánicos:

Ensayo de tracción: Ofrece una idea aproximada de la tenacidad y elasticidad de un material.

Ensayos de dureza: Permiten conocer el grado de dureza del material.

Ensayos al choque (resiliencia): Su práctica permite conocer la fragilidad y tenacidad de un material.

Ensayo de fatiga: Permite conocer el límite a la fatiga de un material.

Ensayos tecnológicos: Ponen de manifiesto las características de plasticidad que posee un material para proceder a su forja, doblado, embutido, etc.

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3. ESFUERZOS FÍSICOS A LOS QUE SE PUEDE SOMETER LOS MATERIALES

Cuando una fuerza actúa sobre un objeto tiende a deformarlo. La deformación depende de la dirección, sentido y punto de aplicación de la fuerza. Los esfuerzos más comunes son los siguientes:

Tracción: Decimos que un elemento está sometido a un esfuerzo de tracción cuando sobre él actúan fuerzas que tienden a estirarlo. Los tensores son

elementos resistentes que aguantan muy bien este tipo de esfuerzos.

Compresión: Un cuerpo se encuentra sometido a esfuerzos de compresión

cuando las fuerzas aplicadas tienden a aplastarlo o comprimirlo. Los pilares y columnas son ejemplo de elementos

diseñados para resistir esfuerzos de compresión. Cuando se somete a compresión una pieza de gran longitud en relación a su sección, se arquea

recibiendo este fenómeno el nombre de pandeo.

Flexión: Un elemento estará sometido a flexión cuando actúen sobre él cargas que tiendan a doblarlo. A este tipo de

esfuerzo se ven sometidas las vigas de una estructura.

Torsión: Un cuerpo sufre esfuerzos de torsión cuando existen fuerzas que tienden a retorcerlo. Es el caso del esfuerzo que sufre una llave al girarla

dentro de la cerradura.

Cortadura: Es el esfuerzo al que está sometida a una pieza cuando las fuerzas aplicadas tienden a cortarla o desgarrarla. También recibe el nombre de cizalladura. El ejemplo más claro de cortadura lo representa la acción de cortar con unas tijeras.

4. INTRODUCCIÓN A LOS ENSAYOS DE MATERIALES Para averiguar si un material es el más adecuado para soportar alguno o varios de los esfuerzos vistos antes, se les somete a una serie de pruebas en las que se determina sus características o propiedades mecánicas.

4.1 ENSAYO DE TRACCIÓN

Es uno de los más importantes para determinar las propiedades mecánicas de un material. Este ensayo consiste en estirar una probeta (pieza de material, forma y dimensiones normalizadas) por medio de una máquina, a una velocidad lenta y constante, obteniéndose la curva de tensión-alargamiento.

Por tensión se entiende la fuerza aplicada a la probeta por unidad de sección: σ = F/S0 en N/m2 en el SI, donde (S0) es la sección inicial de la probeta.

El alargamiento o deformación unitaria es el tanto por uno que se ha incrementado la longitud de la probeta, es decir, si la longitud inicial de la probeta es (L0) y en un momento dado pasa a ser (L), el

alargamiento es: Є = (L-L0)/L0 = ΔL/L0.

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La máquina que realiza el ensayo nos muestra un diagrama tensión-alargamiento típico, en el que se distinguen las siguientes zonas y puntos característicos, aunque muy variable dependiendo del tipo de material:

1. Zona elástica: se caracteriza porque al cesar la tensión aplicada, el material recupera su longitud inicial. El

alargamiento unitario es proporcional a la tensión. A la pendiente de la curva se le llama módulo elástico o módulo de Young (en N/m2), y la recta responde a una ecuación llamada Ley de Hooke:

Tensión (σ) = Módulo de Young (E) x Deformación unitaria (Є)

La zona elástica termina cuando se llega al límite elástico (σe).

2. Zona plástica: se caracteriza porque los alargamientos son permanentes. Si se detiene el ensayo por

ejemplo en el punto (A), se recupera el alargamiento elástico (Єe) pero queda un alargamiento remanente o plástico (Єp). Si se reinicia de nuevo el ensayo, la nueva curva que se obtiene es prácticamente la anterior, pero el nuevo límite elástico es mayor. Con esta operación se consigue lo que se llama un endurecimiento por deformación.

La curva en la zona plástica tiene menos pendiente que en la zona elástica, pues las cargas necesarias para alargar la pieza no se incrementan de forma importante. La zona plástica termina con la máxima fuerza aplicada, pudiéndose obtener en ese punto la resistencia a la tracción o límite de rotura (σR). Su valor es:

σR = Fmáx/S0 variando bastante de unos materiales a otros.

3. Zona de estricción: A partir del límite de rotura el estiramiento en la zona central de la probeta es tan grande que se produce la estricción de la sección incluso disminuyendo la tensión, es decir, el material adelgaza, y acaba rompiéndose.

4.2 ENSAYO DE DUREZA Este ensayo se puede hacer desde diferentes puntos de vista, debiéndose mencionar el método utilizado:

Dureza mineralógica clásica: La dureza de los minerales, entendida como la resistencia de un cuerpo a ser rayado, se puede medir mediante la Escala de Mohs. Tiene 10 grados de dureza que son: talco (1), yeso (2), calcita (3), fluorita (4), apatito (5), feldespato (6), cuarzo (7), topacio (8), corindón (9) y diamante (10). Los dos primeros se rayan con la uña, mientras que hasta el 6 se pueden rayar con un cuchillo. La medición se

hace por comparación, por lo que si un mineral es rayado por el topacio y éste a la vez raya al cuarzo, podemos decir que tiene una dureza entre 7 y 8. Por tanto, no es un método muy preciso.

Dureza a la penetración: La dureza se mide por la resistencia que opone un cuerpo a ser penetrado por

otro. Se realiza por medio de los ensayos Brinell, Vickers y Rockwell, en los que se utilizan diferentes tipos de penetradores que se aprietan con una fuerza determinada contra el material durante un tiempo. La medida de la dureza se obtiene dividiendo la fuerza con que se ha empujado el penetrador entre la superficie de la huella dejada en el material.

El ensayo Brinell se utiliza para obtener la dureza de materiales blandos y muestras gruesas, representando su valor por las siglas HB. Como penetrador se usa una bola de acero templado o carburo de tungsteno de 10 mm de diámetro. Mediante una fórmula

que depende de la fuerza aplicada y la superficie de la huella dejada, determinamos el valor de la dureza. Para unas condiciones normales del ensayo de: D = 10 mm, F = 3000 Kp y tiempo de carga = 15 segundos, el resultado será:

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Al dar la dureza Brinell debemos presentar los siguientes datos como ejemplo:

El ensayo Vickers, llamado también ensayo universal, se utiliza para obtener la dureza de láminas muy delgadas (hasta 0´15 mm), se puede realizar a superficies cilíndricas y materiales blandos o duros, representando su valor

por las siglas HV. Como penetrador se utiliza una pirámide de diamante de base cuadrada con ángulo base de 136º. Mediante una fórmula que depende de la fuerza aplicada (entre 1 y 120 Kp, siendo muy común usar 30 Kp) durante 10 segundos a 3 minutos (siendo muy común 15 segundos) y la

superficie de la huella dejada, determinamos el valor de la dureza, siendo “d” la diagonal de la huella en mm:

Al dar la dureza Vickers debemos presentar los siguientes datos como ejemplo:

El ensayo Rockwell es el método más utilizado para medir la dureza de los materiales por su versatilidad (materiales duros

o blandos), representando su valor por las siglas HR seguido de una letra que depende del penetrador y fuerza aplicada. Utiliza diferentes penetradores, como bolas de acero templado y pulido de distintos diámetros (materiales blandos) para los ensayos B, E, F, G, H y K (depende del material a analizar), o penetradores cónicos de diamante de 120º de ángulo de vértice (materiales duros) para los ensayos A, C y D (depende del material a analizar). En el caso de los aceros, el ensayo consiste en aplicar una precarga al material (10 Kg), luego una carga (se aumenta 90 Kg si es bola de 1/16” para aceros blandos y dureza HRB o 140 Kg si es cono para aceros templados y dureza HRC entre 2 y 10 segundos hasta que la escala del durómetro se estabilice) y por último se desaplica la carga con lo que el material trata de recuperar su posición inicial, quedando una huella permanente. Se obtiene un valor directamente en la pantalla del durómetro, en la

escala roja HRB o en la escala negra HRC. También se puede determinar el valor matemáticamente. Es rápido y fácil de realizar, pero menos preciso que los anteriores métodos. Al dar la dureza Rockwell debemos presentar los siguientes datos como ejemplo: 120HRB o 64HRC.

Existen tablas de equivalencia entre algunas durezas superficiales obtenidas por distintos métodos y la resistencia a la tracción del material. Así, por ejemplo, un material de dureza 105HB=110HV=52´3HRB, posee una resistencia a la tracción de de 350 N/mm2.

4.3 ENSAYO DE RESILIENCIA

El ensayo de resiliencia mide la tenacidad de los materiales. La tenacidad (propiedad inversa a la fragilidad) se define como la capacidad de un material para almacenar energía, en forma de deformación plástica, antes de romperse.

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El método más habitual es el Ensayo Charpy. Para ello se utiliza una probeta normalizada de 10x10x55 mm de longitud en cuya parte central se ha hecho una entalla de 2 mm de profundidad en forma de “U” o “V”. El péndulo de la máquina cae sobre la probeta desde una altura (H)

rompiéndola, alcanzando después del impacto una altura menor (h). La diferencia de energía potencial, será la energía absorbida por la probeta, esto es, su resiliencia. El péndulo en su balanceo inicial arrastra una aguja que queda fija en el punto más elevado alcanzado tras el impacto, señalando sobre una escala graduada el valor de la resiliencia. Cuanta mayor sea la fragilidad del material y menor su tenacidad más fácilmente romperá el péndulo la

probeta y mayor altura alcanzará tras el impacto.

4.4 ENSAYO DE FATIGA Al someter a un material de forma repetida y cíclica a un esfuerzo inferior a su límite de fluencia (deformación del material sometido a la acción de una carga constante a alta temperatura) o crítico o límite de rotura debido a dicho esfuerzo cíclico, puede originar que después de numerosas aplicaciones el metal se fracture por fatiga. Es la primera

causa de la rotura de los materiales metálicos (aproximadamente el 90 %) cuando forman parte de un objeto que soporta una carga. Hay muchas piezas, por ejemplo en motores, puentes, ejes, ruedas de un tren, etc., sometidas a cargas cíclicas de

valores menores al crítico del material. Cuando una pieza está sometida a fatiga, las grietas de tamaño microscópico (microgrietas) existentes en el material van creciendo progresivamente desde la superficie, hasta que llega un momento en

que el tamaño de la grieta es lo suficientemente grande como para que se rompa sin haber llegado al límite de rotura del material.

Existen diferentes tipos de ensayos, dependiendo de si queremos determinar la fatiga a ciclos contantes o variables. Un

ejemplo es hacer girar una probeta sometida al mismo tiempo a flexión debido a una fuerza. El número de revoluciones que ha girado antes de romperse es el

límite de fatiga.

5. CRITERIOS DE SELECCIÓN ADECUADA DE UN MATERIAL La elección de un material para una aplicación determinada no es fácil, pues son necesarios conocimientos sobre las

propiedades, tipos de esfuerzos que soportan y el posible diseño de las piezas, pues no todas las piezas se pueden hacer con cualquier material. Deben sopesarse sus cualidades y defectos y actuar en consecuencia. Algunos estudios destacan las siguientes propiedades en la elección de los materiales idóneos para una aplicación:

Económicas: precio, disponibilidad y reciclabilidad.

Físicas: densidad del materia.

Mecánicas: dureza, resistencia a la tracción, tenacidad a la fractura, resistencia a la fatiga, etc.

Térmicas: conductividad térmica, calor específico, etc.

Eléctricas y magnéticas: resistividad, constante dieléctrica y permeabilidad magnética.

Interacción con el entorno o químicas: resistencia a la oxidación, corrosión y desgaste.

Producción: facilidad de fabricación, unión y acabado.

Estéticas: color, textura, color, olor y aspecto.

Etc.

6. USO RACIONAL DE LOS MATERIALES Cada vez la cantidad de productos fabricados por persona y año se incrementan en más del 2500 %. Muchos de esos

productos se usan una sola vez. Todo ello acarrea problemas de agotamiento prematuro y excesivo deterioro del medio ambiente. Existen productos renovables en cuanto que su uso racional no supone su agotamiento, como la madera, el papel, las

fibras textiles naturales, etc., y otros productos no renovables, pues su uso puede acabar agotándolos, como los metales.

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Para evitar en lo posible las consecuencias expuestas anteriormente, se pueden adoptar, entre otras, las siguientes soluciones:

Nuevos diseños: los diseños adecuados pueden reducir considerablemente el volumen de materia prima usada para unas mismas propiedades. Es el caso de los botes de refrescos, con un 30% menos de peso ahora.

Reciclado: los materiales a utilizar deben tener la posibilidad de ser reciclados, de forma que cuando el producto llegue al final de su vida útil puedan separarse de forma fácil las piezas que lo componga. Es el caso de un automóvil.

Reutilización: siempre que sea posible, se debe tender a poder reutilizar los objetos. Es el caso de las

botellas de refresco.

7. GENERALIDADES DE LOS METALES Todos los metales, excepto el mercurio que es líquido a temperatura ambiente, poseen características comunes

derivadas de su estructura interna. Algunas de estas características son:

Elevada conductividad térmica y eléctrica.

Buena resistencia mecánica.

Gran plasticidad, esto es, considerable capacidad de deformación antes de la rotura.

Elevada maleabilidad.

Son reciclables, pues se pueden fundir y conformar de nuevo.

7.1 ESTRUCTURAS CRISTALINAS Los cuerpos se pueden presentar en dos estados fundamentales:

Cristalino: cuando los átomos están perfectamente ordenados en el espacio. Es el caso de los metales, los materiales cerámicos y algunos polímeros.

Amorfo: cuando solamente la ordenación se presenta a corta distancia. Es el caso de los vidrios y de los

polímeros vítreos. La estructura espacial de un sólido cristalino se construye a partir de una unidad repetitiva o celda unidad. Según los valores que tengan las aristas y ángulos de la celda, se

distinguen siete sistemas cristalinos diferentes (triclínico, monoclínico, ortorrómbico, tetragonal, cúbico, hexagonal y romboédrico). Los átomos se sitúan en los vértices de cada celda. También se pueden situar

(dependiendo siempre de la sustancia) en los centros de la red o de las caras. Conviene destacar que la mayor parte de los metales usados en la industria cristalizan en la red cúbica centrada en el cuerpo (BCC), red cúbica centrada en las caras (FCC) o red hexagonal compacta (HCP).

7.2 TRATAMIENTOS DE LOS METALES PARA MEJORAR SUS PROPIEDADES Una vez producida cualquier pieza de metal, se suele someter a diferentes tratamientos cuya finalidad es aumentar su dureza, disminuir sus tensiones internas, mejorar su resistencia, etc. Veamos a continuación algunos tipos.

A) TRATAMIENTOS TÉRMICOS: consiste en someter al metal a procesos térmicos sin que varíe su composición química, pero sí su estructura cristaliza (en especial su tamaño de grano). Entre ellos destacan:

Recocido: consiste en calentar el material a una temperatura y duración determinada con un enfriamiento lento de la pieza. Su objetivo es destruir todo lo anormal de la pieza, ablandando el material para trabajarlo posteriormente mejor. En el caso de los aceros, la velocidad de enfriamiento debe ser lo suficientemente lenta como para transformar el constituyente llamado austenita en otros constituyentes más estables.

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Temple: consiste en calentar el metal y enfriarlo posteriormente de forma brusca. Su objetivo es dar gran

dureza y resistencia mecánica a la pieza. En el caso de los aceros, generalmente se busca transformar la totalidad del constituyente llamado austenita en otro llamado martensita que es muy duro.

Revenido: es un tratamiento que se aplica sólo a los metales templados anteriormente. Se calienta el material generalmente a bajas temperaturas durante un tiempo y se deja enfriar, sin influir en exceso el método de enfriamiento. Se consigue aumentar la tenacidad de las piezas y destruir las tensiones internas estabilizando el material a cambio de disminuir algo la dureza.

B) TRATAMIENTOS TERMOQUÍMICOS: consisten en aportar otros elementos a la superficie de las piezas de acero

durante su calentamiento y posterior enfriamiento. Entre ellos destacan:

Cementación: consiste en carburar una capa superficial de la pieza, rodeándola de un producto carburante (carbón de Cook, cenizas, baños de sales en piezas pequeñas, etc.). Luego se templa y reviene la pieza,

consiguiéndose una gran dureza superficial y gran tenacidad en el núcleo.

Nitruración: tiene por objeto aportar nitrógeno a la capa superficial de los aceros por absorción de nitrógeno, con lo que se consigue endurecerla extraordinariamente y mejorar su resistencia a la corrosión.

Cianuración: tiene por objeto endurecer una capa superficial de la pieza por la acción combinada del

carbono y el nitrógeno en baños, adquiriendo una gran resistencia.

Carbonitruración: tiene por objeto endurecer la capa superficial de los aceros por medio de gases de carbono y nitrógeno. Por eso se le llama también “cianuración gaseosa”. Se emplea en piezas de gran espesor.

Sulfinización: es una cianuración a la que se le añade una capa de carbono, nitrógeno y, sobre todo, azufre por inmersión, aumentando la dureza y la resistencia al desgaste de la pieza. Además disminuye su coeficiente de rozamiento.

C) TRATAMIENTOS MECÁNICOS: su finalidad es mejorar las características de los metales por deformación mecánica con y sin aporte de calor. Entre ellos destacan:

En caliente o forja: consiste en calentar el metal a una temperatura (rojo cereza en los aceros) para deformarla posteriormente golpeándola fuertemente. Se mejora su estructura interna, disminuyendo el tamaño del grano.

En frío: consiste en golpear, trefilar o laminar el metal con la finalidad de ganar dureza y resistencia mecánica, disminuyendo algo su plasticidad.

D) TRATAMIENTOS SUPERFICIALES: los más utilizados son:

Metalización: se proyecta pulverizado un metal fundido sobre la superficie del otro, dando unas

características diferentes a las que poseía el metal base.

Cromado: consiste en depositar cromo en un baño electrolítico sobre otro metal, disminuyendo su coeficiente de rozamiento y aumentando su resistencia al desgaste.

8. METALES FERROSOS Se denominan materiales ferroso o férricos a aquellos que contienen hierro (Fe) como elemento base, pudiendo llevar, además, pequeñas proporciones de otros elementos. Las normas UNE definen al hierro como el elemento químico de ese nombre, así como los productos siderúrgicos de los que, con el carácter de impureza, puedan formar

parte de otros elementos. Es el cuarto elemento en forma de mineral más abundante (un 5%) en la corteza terrestre. El hiero no se encuentra nativo en la naturaleza, excepto en algunos meteoros o en rocas de tipo basáltico. Normalmente se encuentra en forma de óxidos, carbonatos o sulfuros en minerales como en la magnetita (72% Fe),

hematites roja u oligisto (70% Fe), hematites parda o limonita (60% Fe), siderita (48% de Fe) o la pirita (<48% de Fe). El hierro técnicamente puro (aquél cuyas partes de impurezas son insignificantes) es un material metálico que puede imantarse y desimantarse fácilmente, de color blanco azulado, dúctil y maleable. Su punto de fusión es

aproximadamente 1535 ºC, aunque disminuye cuando se encuentra aleado con carbono (C). Su densidad es 7´87 g/cm3. Es buen conductor del calor y medianamente de la electricidad. El hiero es un metal químicamente activo (se combina fácilmente con S, P, C y Si). Expuesto al aire se corroe,

formando una sustancia pardo rojiza llamada comúnmente orín. Existen cuatro variedades alotrópicas (diferentes tipos de estructura cristalina estables en determinados intervalos de temperatura) que condicionan sus propiedades, en especial el % de carbono con el que es posible alearlo.

El hierro puro (<0´03 % C) en sí tiene muy pocas aplicaciones industriales debido a sus malas características mecánicas. La variedad ARMCO (con purezas del 99´8 al 99´9 % de Fe) se utiliza en la industria eléctrica para fabricar armaduras de gran permeabilidad magnética y en conducciones eléctrica.

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Su principal aplicación se encuentra al alearse con carbono y otros metales para formar acero, fundición, ferroaleaciones y conglomerados metálicos. Si el porcentaje de carbono supera el 5 %, carece de interés industrial al ser extremadamente frágil.

La industria metalúrgica del hierro se llama siderúrgica, abarcando el proceso siderúrgico desde la extracción del mineral hasta la fabricación final de las piezas.

8.1 EL ACERO: DEFINICIÓN, PROPIEDADES Y CLASIFICACIÓN ATENDIENDO AL % DE CARBONO Se denomina acero a toda aleación de hierro con carbono forjable cuyo contenido en carbono está generalmente comprendido entre 0´03 y 1´76 %. Cuando se alea, el contenido de carbono puede llegar al 2´5 %. El carbono no se

encuentra libre nunca, sino combinado completamente. Es la aleación industrial más importante. Es dúctil y maleable. Su soldabilidad disminuye con el aumento del % de carbono. Se oxida fácilmente, excepto los aceros inoxidables. Su densidad varía entre 7´6 y 7´8 g/cm3 y su punto de fusión entre 1300 y 1400 ºC. Su resistencia

a la tracción, dureza y fragilidad aumenta con el % de carbono, a la vez que disminuye su ductilidad. Los aceros se clasifican atendiendo al % de carbono que poseen en extrasuaves, suaves, semisuaves, semiduros, duros, y extraduros. En la tabla se muestra el % de C de cada tipo de acero. Por norma general, además de hierro y carbono,

los aceros poseen otros elementos que modifican notablemente sus propiedades cuando superan un % determinado, dependiendo del elemento en sí. Los porcentajes a partir de los cuales se consideran como elementos aleantes y no como impurezas, son los de la tabla de abajo. De esta forma, se clasifican en:

Aceros al carbono: cuando los elementos aleantes poseen un % bajo considerado como impureza.

Aceros aleados: cuando los elementos aleantes poseen un % elevado, dependiendo del elemento aleante. Los principales elementos que modifican las propiedades de los aceros son:

Azufre (S): le da fragilidad al acero, siendo perjudicial. Se contrarresta añadiendo manganeso.

Cobalto (Co): aumenta la dureza del acero en caliente, así como su resistencia a la corrosión, oxidación y desgaste. Los aceros con cobalto

poseen unas propiedades magnéticas más acusadas.

Cromo (Cr): aumenta la dureza del acero, la resistencia a la corrosión y

la tenacidad. Es un elemento fundamental de los aceros aleados inoxidables.

Manganeso (Mn): facilita el temple

de los aceros e incrementa la dureza de los aceros templados. Contrarresta los efectos negativos del azufre.

Molibdeno (Mo): es el mejor elemento, junto al carbono, para incrementar la dureza de los aceros. Aumenta también su resistencia en caliente y al desgaste.

Níquel (Ni): elemento usado junto al cromo para la obtención de aceros aleados inoxidables. También aumenta su resistencia a la tracción.

Plomo (Pb): favorece el mecanizado de los aceros (hace de lubricante) siempre que no sobrepase el 0´5 %, ya que sino dificulta el temple y disminuye su tenacidad en caliente.

Silicio (Si): elimina los excesos de oxígeno de los aceros y aumenta su elasticidad y características magnéticas.

Vanadio (V): elimina el exceso de oxígeno de los aceros, además de aumentar su resistencia a la fatiga y a la

tracción.

Wolframio (W): también llamado tungsteno, aumenta mucho la dureza de los aceros a cualquier temperatura. En porcentajes elevados, se obtienen los llamados aceros rápidos para herramientas de corte.

8.2 HORNO ALTO: MATERIAS PRIMAS CON LAS QUE SE ALIMENTA La obtención industrial del hierro se basa en someter a los óxidos de hierro (minerales con más % de Fe como la

magnetita, oligisto y limonita) a un proceso de reducción química (eliminación del oxígeno) en el alto horno. Los carbonatos (siderita) primero se calcinan (calentamiento en ausencia de oxígeno) y los sulfuros (pirita) se tuestan (calentamiento en presencia de oxígeno) para convertirlos en óxidos, y a partir de ellos obtener el hierro por reducción.

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Primeramente el mineral es extraído de las minas, sometiéndose a unos procesos para separar los óxidos, carbonatos o sulfuros (mena) de rocas, sílice y elementos inútiles (ganga). Una vez triturado el mineral, la mena se separa de la ganga aprovechando sus diferentes densidades o su distinto comportamiento frente a campos magnéticos.

La reducción la produce el coque incandescente, que a la vez sirve para proporcionar el calor necesario para fundir el

hierro. El producto obtenido es un hierro con mucho carbono (~ 4 %) y otros elementos como fósforo y silicio, llamado arrabio. Este arrabio, debido al % elevado de carbono, es muy frágil y poco resistente, por lo que por sí sólo no sirve para nada. Es el producto utilizado como materia prima para obtener posteriormente acero y fundición.

El coque se obtiene a partir del carbón de hulla de bajo contenido en azufre (< 1%) y cenizas (< 8%) en un proceso llamado coquizado en las llamadas baterías de hornos de coque. Se obtiene de hullas grasas o semigrasas, que poseen un porcentaje de materias volátiles entre un 22 y un 30%. El coquizado consiste en someter a la pasta de carbón a un

proceso en estos hornos consistente en calentar el carbón por encima de 1000 ºC en ausencia de aire durante unas 16 horas. Al finalizar se habrán desprendido las materias volátiles y aglutinado los granos de hulla. Al extraer el carbón de coque metalúrgico de las baterías se rocían con agua para evitar su combustión, ya que arde espontáneamente al entrar en contacto con el oxígeno del aire. El carbón de coque tiene buena resistencia al aplastamiento (debe

soportar las cargas), un elevado poder calorífico (entre 6500 y 8750 Kcal/Kg) y un porcentaje mínimo de humedad, azufre, fósforo y cenizas. Es poroso y posee un porcentaje superior al 90% de carbono. Además del mineral de hierro y el carbón de coque, al alto horno se le debe proporcionar fundentes (principalmente

caliza y cuarzo), cuya misión es eliminar las impurezas que aún quedan y formar la escoria. Esta escoria se sitúa en la parte superior del mineral fundido, pudiéndose separar y eliminar por la bigotera o piquera de escoria. También se puede utilizar chatarra para obtener acero, previamente reciclada.

El alto horno tiene la forma de dos troncos de cono desiguales unidos por sus bases mayores. El superior y más grande se llama cuba y el inferior etalaje. Entre la cuba y el etalaje se distingue la zona de mayor diámetro, llamada vientre, donde se produce la mayor parte del proceso de reducción. Los dos terminan en cilindros, el superior se llama tragante y el inferior crisol. En la unión del etalaje con el crisol están las toberas. Más abajo está un orificio

llamado bigotera para sangrar las escorias y al final del crisol está otro orificio llamado piquera, para dar salida al hierro líquido. La parte interior es de mampostería de ladrillos refractarios de 60 a 100 cm de espesor. La parte exterior va revestida de planchas de acero reforzadas con zunchos. Entre ambas hay canales de refrigeración. El conjunto lleva a su alrededor un armazón metálico que lo sostiene y elementos auxiliares como escaleras,

montacargas, eliminadores de polvo, etc. Su altura varía entre 30 y 80 m, con un diámetro máximo en el vientre comprendido entre 10 y 14 m.

El mineral de hierro (~ 1000 Kg), coque (~ 500 Kg) y fundente (~ 250 Kg) se vierten por el tragante. Todo ello se ha

mezclado anteriormente en unas tolvas, en cuya salida se quema la mezcla para obtener el denominado sinter, material sinterizado aglomerado pastoso y poroso que se criba y enfría antes de entrar al horno. A continuación, en la parte alta del cilindro superior, parten las tuberías de toma de gases calientes, que se envían a los recuperadores de calor para mandar el aire caliente al horno nuevamente por las toberas. Por medio de dispositivos de doble válvula,

entran los materiales y no salen los humos fuera. En la parte superior de la cuba se produce el secado, precalentamiento y deshidratación del mineral a una temperatura entre 200 y 450 ºC. En la parte inferior de la cuba, donde la temperatura sube hasta los 1200 ºC, se

produce la reducción o eliminación del oxígeno. El hierro, en estado pastoso, va descendiendo por su propio peso llegando a la zona de los etalajes, donde se produce la carburación (combinación con el carbono) y fusión del mineral, llegándose a unos 1800 ºC al inyectar aire caliente con fuel inyectado por las toberas (desde el distribuidor, rodete o morcilla). El hierro, ya combinado con el carbono, llega a la zona del crisol, donde se sangra por la piquera a unos

1400 ºC. La ganga del mineral se combina con el fundente, formando una masa líquida o escoria de menor densidad que flota sobre el hierro fundido, extrayéndose por la piquera de escoria o bigotera. Se usa como firmes de carreteras o en fabricación de determinados cementos.

El producto obtenido, que se llama arrabio o fundición de primera colada, se vierte en “vagonetas torpedo” para su traslado a la siguiente fase. En las vagonetas se somete al arrabio a un proceso químico de desulfuración (separación del azufre), inyectando una mezcla de cloruro y carbonato de calcio que reacciona con el azufre y forma sulfuro de calcio, que se separa del hierro líquido. Este producto obtenido tiene más de un 4 % de C y muchas impurezas como

silicio, manganeso, azufre y fósforo, por lo que no tiene aplicaciones directas. Es la base para obtener hierro puro, acero y fundición de segunda colada en la industrial siderúrgica secundaria. Las reacciones que se producen en el alto horno son:

Combustión incompleta del coque: COOC 22 2 reacción muy exotérmica, alcanzando 2200 ºC.

Reducción de los óxidos de hierro, esto es, separación del oxígeno: 232 323 COFeCOOFe

formando hierro metálico y desprendiendo CO2.

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8.3 OBTENCIÓN DEL ACERO A PARTIR DEL ARRABIO DEL ALTO HORNO El arrabio, debido al % elevado de carbono que posee, es un material duro, muy frágil, nada dúctil ni maleable, además de poseer muchas impurezas. Es por ello que se debe reducir el porcentaje de carbono y eliminar las

impurezas en otros hornos de afino para convertirlo en acero que es duro, elástico, soporta los impactos y se puede hacer hilos o extenderse en láminas delgadas. Todos los hornos se basan en la eliminación de las impurezas y el exceso de carbono mediante oxidación a través de la

escoria, o por combustión de las impurezas. Una vez refinados los aceros, se “cuelan” en lingotes para su empleo directo en laminación de chapas, perfiles, etc., o para producir aceros aleados mediante la adicción de otros metales (ferroaleaciones) normalmente en hornos eléctricos.

Convertidor Thomas-Bessemer: basa el afino en insuflar aire por unas toberas al arrabio líquido depositado en ellos. Con ello se consigue quemar tanto las impurezas como el exceso de carbono del arrabio. Es

de grandes dimensiones y consta de una cubierta exterior en chapa de acero y un recubrimiento interior en material refractario. El aire entra por un conducto por la boca y al llegar al fondo del convertidor, donde se

encuentra la parrilla, entra en contacto con la masa líquida, dando comienzo el proceso de afino propiamente dicho. Tiene un basculante para ponerlo en posición horizontal y proceder a su carga por medio de

la “cuchara” y posterior descarga. En una primera fase de unos 5 minutos, se producen abundantes chispas de gotas del arrabio que salen por la boca debido al aire insuflado que provoca temperaturas de hasta 1600 ºC. En la siguiente fase, de unos 10 minutos de duración, se produce la combustión del carbono del arrabio debido a las altas temperaturas que provoca grandes llamas

que salen por la boca del convertidor. En la última fase de corta duración (el total del proceso dura unos 20 minutos) deja de hervir la masa líquida y de salir llamas, terminando cuando sale un humo de color pardusco por la boca del convertidor. A continuación se bascula el horno y se recoge en cucharas para pasar a las lingoteras. El proceso lo patentó Henry Bessemer en 1885 y los aceros así obtenidos se denominan aceros

comunes.

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Horno Martin-Siemens o de

reverbero: se basa en una gran solera en la que se deposita el arabio líquido o solidificado en lingoteras y

mezclado con chatarra de piezas y maquinaria inservible. En el hogar se funde la mezcla, debido al calor que se genera al quemar el combustible (generalmente gas) mezclado con el aire que

llega a los quemadores a través de unas bocas. Se pueden llegar a conseguir

hasta 1800 ºC, obteniéndose una eliminación de impurezas superior a la del convertidor Bessemer. Los

gases generados en la combustión, en vez de dejarlos escapar a la atmósfera, se hacen pasar por diversas cámaras calentándolas. Una vez calientes, se invierte el sentido de la corriente, calentando otras cámaras frías. El proceso se repite cada 20 a 25 minutos, dependiendo de la capacidad del horno, aunque el proceso total puede durar de 6 a 9 horas. Es económico por su gran capacidad (de 25 a 250 toneladas) además de

admitir chatarra (hasta un 50% de la carga). Es uno de los tipos de acero más utilizado para obtener aceros comunes en Gran Bretaña y Estados Unidos a partir de 1864.

Convertidor LD: (Lind-Donawitz) se diferencia del convertidor Bessemer en que en vez de aire se insufla oxígeno por medio de un tubo refrigerado llamado lanza a presiones de 4 a 12 atmósferas, descarburando la colada hasta que la mezcla se transforma en acero. Se puede utilizar como materia prima, además del arrabio, chatarra e incluso ferroaleaciones, dependiendo

del tipo de acero deseado. Tiene muy buen rendimiento además de una alta calidad el acero obtenido. El proceso dura una hora aproximadamente produciéndose entre 45 y 250 toneladas. Es el método que está sustituyendo principalmente a los dos anteriores que han quedado en desuso.

Horno eléctrico: no sirve para producir acero directamente, sino que es un medio para afinar el proveniente del convertidor o reverbero o chatarra con otros elementos para producir aceros aleados de gran calidad. Utiliza electricidad como fuente de energía. Al alcanzar mayores temperaturas de forma rápida y no producir

llama, elimina mejor las impurezas y resultando un acero de composición más homogénea y mayor calidad. Hay dos tipos principales: los de arco y los de inducción. En los de arco la carga se funde debido al calor producido por el arco eléctrico que salta entre los electrodos de grafito o entre los electrodos y la carga. Se pueden alcanzar temperaturas de 2500 a 3500 ºC, lo que produce la fusión de materiales como el cromo,

níquel, molibdeno, titanio, vanadio o manganeso. En los de inducción, el crisol refractario lleva arrollado un tubo de cobre de sección rectangular por el que circula una corriente eléctrica que induce otra corriente en la carga, con lo que ésta se caliente rápidamente hasta llegar a la fusión del material. Admiten cargas en estado sólido y líquido. Se utilizan para obtener aceros de mayor calidad o aleados, compensado su mayor

precio.

8.4 COLADA DEL ACERO Por cualquiera de los métodos estudiados anteriormente o por medio del cubilote que veremos posteriormente, el

acero o la fundición de segunda colada queda en las cucharas en estado líquido. Para su adecuada transformación en productos de consumo industrial, es necesario solidificarlo. Este proceso se hace de diferentes maneras:

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Vertiendo el acero de forma directa sobre moldes con la forma deseada (acero moldeado).

Colando el acero líquido por colada convencional sobre unos moldes prismáticos (lingoteras) para transformarlos después por laminación en caliente. El acero solidificado tiene forma troncocónica y su sección puede ser cuadrada (tochos) o rectangular (petacas). Los productos obtenidos son de buena calidad, aunque se utiliza poco por su coste elevado o cuando se quiere almacenar por falta de pedidos.

Realizando una colada continua, obteniendo directamente un producto semielaborado deseado de sección constante por laminación (ver apartado siguiente). Es el método más económico y empleado.

8.5 LAMINACIÓN Se puede hacer en frío (a temperatura ambiente, solo en el caso chapas muy finas) o en caliente (más empleado), dependiendo del producto final.

Se hacen pasar los lingotes de la colada continua entre 800 y 1250 ºC en trenes de laminación “Blooming” o “Blooming Slabing” para obtener como punto de partida tochos o lingotes llamados productos semielaborados para la obtención posterior de perfiles. Todos se designan por el nombre, la dimensión y el número de norma UNE. Se denominan:

Desbaste, se obtiene por una primera laminación del lingote, pudiendo ser de forma cuadrada (desbaste cuadrado, tocho o “Bloom”) o rectangular (desbaste plano, petaca o “Slab”) y sin aristas vivas. El grueso está comprendido entre 130 y 340 mm y el ancho entre 130 y 550 mm.

Palanquilla, es de sección cuadrada con ancho entre 40 y 125 mm.

Llantón, es de sección rectangular con grueso comprendido entre 11 y 125 mm y ancho entre 200 y 600 mm.

Los productos semielaborados son la base para obtener posteriormente productos acabados por laminación con

cilindros de superficie lisa o acanalada, según el producto final del perfil deseado. También se pueden obtener por forja, trefilado o estirado. Según su sección, entre otros, pueden ser:

Chapa, producto plano de ancho superior a 600 mm y distintos grosores (chapa fina, media y gruesa).

Plano ancho, producto de sección rectangular cuyo grueso está comprendido entre 4 y 20 mm y el ancho entre 200 y 600 mm.

Viga de perfil normal, denominada “IPN”.

Perfil en U, denominada “UPN”.

Viga de ala ancha, con altura igual al ancho y forma de “H”.

Angular de lados iguales, con dos alas en forma de “L” de igual longitud, denominado “LPN”.

Angular de planos desiguales, con dos alas en forma de “L” de medidas diferentes.

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Perfil en T, denominado “TPN”.

Angular con nervio, utilizado en construcciones móviles.

Ángulo camero, perfil en ángulo recto en forma de “L” con alas de igual longitud y aristas vivas.

Fermachines, productos de sección circular entre 5 y 8 mm usados para fabricar alambres por trefilado.

Alambres, productos obtenidos por trefilado. Se suministran con acritud al ser forjados en frío y recocidos

posteriormente para eliminar tensiones. Pueden ser también estañados o galvanizados. Otros perfiles muy usados en mecánica o en la construcción son el cuadrado, pasamano, medio redondo, redondo, llanta,

pletina y fleje. Suelen presentarse con longitudes generalmente de 6 metros. Los tubos son piezas huecas por lo común de forma cilíndrica y

abierta por ambos extremos. Hay tubos sin costura para trabajos a presión que se obtienen eliminando por presión la masa del núcleo.

Hay tubos con costura soldada para canalización de líquidos o gases a pequeñas presiones

Hay otros perfiles que se emplean mucho tanto para construcción de muebles, estructuras ligeras y elementos de construcción. Se obtienen por lo general por conformación en frío de chapas finas por doblado o curvado, pero sin laminación

previa. Su sección transversal es igual a la de la chapa inicial.

8.6 DESIGNACIÓN CONVENCIONAL DE LAS ALEACIONES FÉRRICAS La norma UNE 36009 tiene por objeto fijar las reglas de las designaciones convencionales de los aceros por medio de cifras, letras y signos. La designación se hace atendiendo a dos grupos o criterios fundamentales empelados para la clasificación de los aceros:

Atendiendo a la composición química.

Atendiendo a su utilización o propiedades físicas.

La clasificación se hace de dos maneras:

Designación convencional numérica.

Designación convencional simbólica.

La designación convencional numérica es el conjunto de cifras y la letra F, que sirven para designar un acero sin que, en principio, tengan un sentido descriptivo de sus propiedades o aplicaciones. En principio se prevén cinco símbolos para la designación de un acero. El primero, común a todos, es la letra F, a la que siguen cuatro cifras. La

primera indica grandes grupos de aceros, siguiendo perfectamente un criterio de utilización (ver cuadro). La segunda establece distintos subgrupos afines dentro de cada grupo. Por último las dos restantes, sin valor clasificativo, tienen como misión diferenciar una clase de otra cronológicamente. Ejemplo: F 5107, UNE 36071.

CLASIFICACIÓN DE LOS ACEROS SEGÚN LAS NORMAS UNE

F – 1000 Aceros finos de construcción en general F – 6000 Aceros comunes

F – 2000 Aceros finos para usos especiales F – 7000 Aceros para moldear

F – 3000 Aceros resistentes a la corrosión y oxidación F – 8000 Fundiciones

F – 4000 Aceros de emergencia F – 9000 Aleaciones férreas especiales

F - 5000 Aceros para herramientas F – 1100 Ejemplo subgrupo: aceros al carbono

La designación convencional simbólica es el conjunto de letras, números y signos que expresan algunas características básicas y, caso de necesitarse, algunas características suplementarias que permitan identificar al acero sin ambigüedad. Este identificativos se consigue por medio del tipo y el grado. Para designar al acero es necesario el

tipo y, si procede, el grado seguido de la norma UNE. Ejemplo: 31 Cr V 10, UNE 36014. Actualmente la norma UNE 36009 ha sido sustituida por la norma UNE-EN 10027-1 (designación simbólica) y UNE-EN 10027-2 (designación numérica) correspondientes a normas europeas, pero aún se sigue usando mucho en la industria

la antigua nomenclatura.

8.7 LA FUNDICIÓN: OBTENCIÓN Y PROPIEDADES La fundición es toda aleación hierro – carbono que teóricamente tiene entre el 1´76 y el 6´67 % de carbono, aunque en la práctica ese porcentaje suele variar entre el 2´5 y el 4´5 %, además de poseer otros elementos en las

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proporciones siguientes: Si (de 0´5 a 4%), Mn (de 0´3 a 2%), S (de 0 a 0´2%) y Pb (de 0 a 1´5%). No es la cantidad de carbono lo que caracteriza a las fundiciones sino como se encuentra, variando el tipo de fundición.

Se obtiene en el cubilote, que es un horno de re-difusión parecido al

alto horno pero de menores dimensiones, marcha continua y ventilación forzada, formado por un cilindro de palastro forrado de ladrillos refractarios. Se hecha la mezcla de de coque, arrabio, chatarra y fundente por el tragante sin que en el mismo se realicen reacciones químicas de afino, que modifiquen de forma sensible la composición. Hay una primera zona de deshidratación a unos 500 ºC antes de la zona de fusión, donde no ocurre ninguna transformación. En la zona de fusión, entre 1200 y 1250 ºC, el metal empieza a

fundirse cayendo a la zona de combustión o sobrecalentamiento, que está entre 1500 y 1600 ºC, situada un poco más arriba de la zona de toberas y es donde se quema el coque. Después pasa a la zona del crisol, por debajo de las toberas entre 1350 y 1350 ºC, donde se

acumula el metal fundido. De esta forma obtenemos fundición de segunda colada. Las fundiciones son fácilmente fusibles (de ahí su nombre),

utilizándose principalmente para obtención de piezas por moldeo en arena o en moldes metálicos. Su densidad es menor a la del acero (entre 7´2 y 7´6 Kg/dm3) y su punto de fusión oscila entre 1050 y 1300 ºC, también menor al acero. En general no son dúctiles ni maleables, tampoco se pueden forjar y se sueldan con dificultad.

Entre las ventajas destajan que es más fácil de fabricar que los aceros, pues su punto de fusión es más bajo, se mecanizan más fácilmente y se pueden fundir piezas grandes y pequeñas. Poseen una buena resistencia a la tracción y mayor resistencia a las vibraciones, al desgaste y a la oxidación y corrosión que los aceros. Tienen cualidades autolubricantes. Las piezas de fundición, por su facilidad de

fabricación, son más baratas que las de acero. Las fundiciones ordinarias se clasificar en, según la norma UNE 36003:

Fundición blanca (FB): se denomina así por el color que presenta su superficie de fractura predominantemente blanco. En ellas todo o la mayoría del carbono que contiene está combinado con el hierro en forma de carburo de hierro (CFe2), esto es, cementita. Su elaboración se realiza generalmente en los cubilotes, cuidando de que la carga contenga poco silicio y a ser posible algo de manganeso para facilitar

la formación de la cementita. Las hay hipereutécticas (<4´3 % de C), eutécticas (4´3 % de C) e hipoeutécticas (>4´3 % de C). Son muy duras, de densidad elevada (7´7 Kg/dm3), con una gran contracción en el enfriamiento y casi imposibles de mecanizar. Su colabilidad es la peor de todas las fundiciones, además de ser muy frágiles y poco tenaces. Esto hace que tengan pocas aplicaciones.

Fundición gris (FG): deben su nombre al color gris que presentan en su superficie de fractura, debido a que la mayor parte del carbono que poseen está en forma de grafito laminar y el hierro en forma de ferrita, aunque en la práctica parte del carbono está en forma de cementita y otra en forma de grafito. Se obtiene, generalmente, en los cubilotes. Las hay ferríticas (de 0´3 a 0´5 % de carbono combinado), ordinarias (de 0´4 a 0´6 % de carbono combinado) y perlíticas (aproximadamente un 0´8 % de carbono combinado). Son menos densas que las blancas (7´25 Kg/dm3) y se contraen menos en el enfriamiento. Son más fáciles de mecanizar, muy resistentes a la corrosión, al desgaste y al calor, tienen buenas cualidades autolubricantes y gran capacidad de amortiguación a las vibraciones. No son tan duras como las blancas pero más fáciles de colar,

debido a su punto de fusión (entre 1100 y 1300 ºC). Por ello se usan sobre todo en bancadas de máquinas, carcasas de motores, enlaces de tuberías, verjas, artículos de ferretería, radiadores, tinas, etc.

Fundición atruchada (FA): son mezcla de las anteriores. A veces se hace intencionadamente una zona de la pieza blanca (como las levas de un motor para que resistan al desgaste) con una velocidad de enfriamiento

rápido para que se forme la cementita en vez del grafito. Las fundiciones especiales se clasifican en, según la norma UNE 36003:

Fundiciones maleables: se obtienen a partir de la blanca mediante un tratamiento térmico de recocido llamado de maleabilización con objeto de transformar su constitución y aumentar su tenacidad y resistencia a la tracción. La maleable blanca europea (FMB) o de corazón blanco es aquella en la que el carbono de la cementita de la fundición blanca ha sido total o parcialmente eliminado por un proceso de descarburación.

Se emplea para fabricar piezas pequeñas. La maleable negra americana (FMN) o de corazón negro no se descarbura, sino que el carbono de la cementita se precipita como copos de grafito. Se emplea para fabricar piezas gruesas. La maleable perlítica es una variación de la de corazón negro pero con mayor resistencia a la tracción y menor dureza, por lo que se puede mecanizar.

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Fundición de grafito esferoidal (FGE): se consigue añadiendo magnesio fundamentalmente, formándose el

grafito en forma de esferas (nódulos) más perfectas que la maleable americana con una matriz perlítica o ferrítica. Posee buena resistencia a la tracción, al choque, elevada dureza, buena colabilidad, es forjable y también soldable.

Fundición de grafito difuso (FGD): se obtiene por temple y posterior recocido doble de la blanca que, una vez tratada, adquiere una constitución de diminutos nódulos repartidos por toda su masa.

Otro tipo de fundiciones son las aleadas, que poseen otros elementos en proporciones superiores a ser considerados como impurezas y que dan unas características específicas a la fundición. Si los porcentajes no superan el 5% se

llaman fundiciones aleadas de baja aleación, mientras que si lo superan se llaman fundiciones aleadas de alta aleación.

8.8 DIAGRAMA HIERRO – CARBONO Es una representación gráfica del comportamiento de la aleación Fe-C en función de la temperatura y del % de carbono. En el eje de abcisas figuran las proporciones de carbono y en el de ordenadas las temperaturas.

En el eje de abcisas se distinguen los siguientes puntos bien definidos:

1. El límite del diagrama, correspondiendo al 6´67 % de C, que es cementita pura. De ahí en adelante el

carbono está en forma de grafito. 2. El punto eutéctico (C), que corresponde al 4´43 % de C. Es el punto de más bajo punto de fusión (1130 ºC),

pasando de sólido a líquido directamente. Al solidificarse forma ledeburita, que contiene un 52 % de cementita y un 48 % de austenita.

3. El punto (E), que corresponde al máximo contenido de carbono de la austenita (1´76 %), dividiendo a los aceros de las fundiciones.

4. El punto eutectoide (S), que corresponde al 0´89 % de C. A partir de él hay una transformación de la constitución, que es sólida a menores y mayores temperaturas. La perlita, al aumentar la temperatura, se transforma íntegramente en austenita a los 723 ºC.

5. El punto peritéctico (J), corresponde al 0´18 % de C y es el punto en que la austenita permanece estable a mayor temperatura (1492 ºC).

6. El punto (H), de 0´08 % de C, es el máximo porcentaje de carbono que puede contener en solución sólida el hierro delta (δ).

7. El punto (P), de 0´025 % de C, que es el máximo porcentaje de carbono que puede disolver la ferrita.

En el eje de ordenadas se distinguen las siguientes líneas:

Línea A0 = 210 ºC, corresponde al cambio magnético de la cementita. Por encima de él no lo es.

Línea A1 = 723 ºC, es el límite de la perlita.

Línea A2 = 768 ºC, es el cambio magnético de la ferrita. Por encima de él no lo es.

Línea A3 (SG), es el límite de la ferrita.

Línea Acm (SE), es el límite de la cementita.

Línea EF, es el límite de la ledeburita.

Línea AHJECF, es la temperatura de iniciación de la fusión al calentar o de solidificación al enfriar. Por

debajo todo es sólido.

Línea ABCD, es la temperatura de fin de fusión al calentar o de comienzo de solidificación al enfriar. Por encima todo es líquido.

Línea A4 (HB), es el límite superior de la austenita.

Mirando el diagrama, se ve que el proceso de solidificación varía con el % de carbono, distinguiéndose una serie de puntos característicos como son:

Aleaciones hierro-carbono de 0´3 % de C.

Aleaciones de 0´89 % de C.

Aleaciones de 1´2 % de C.

Aleaciones de 3 % de C.

Aleaciones de 4´3 % de C.

Aleaciones de 5 % de C.

8.9 CONSTITUYENTES PARTICULARES DE LAS ALEACIONES HIERRO-CARBONO

Ferrita: también se le conoce como hierro α, aunque en realidad es una solución sólida de carbono en hierro α. Su solubilidad a temperatura ambiente es tan pequeña que no llega a disolver el 0´008 % de C, por lo que

prácticamente se le considera hierro α puro. Su máxima solubilidad es de 0´02 % de C a 723 ºC. Es el más blando y dúctil constituyente de los aceros. Es magnética hasta los 768 ºC. Tiene una dureza baja de 90 en la escala Brinell y un alargamiento del 40 %.

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Austenita: también se le conoce como hierro γ, aunque en realidad es una solución sólida de hasta un 1´76 %

de C a 1130 ºC. Comienza a formarse a la temperatura crítica de 723 ºC. Tiene una dureza de 300 en la escala Brinell y un alargamiento del 30 %. No es magnética.

Cementita: es carburo de hierro (CFe3), con el 6´67 % de C. Es el constituyente más duro y frágil de los aceros, alcanzando una dureza de 700 en la escala Brinell. Es magnética hasta los 210 ºC.

Perlita: es un constituyente compuesto por un 86´5 % de ferrita y un 13´5 % de cementita con un 0´89 % de C. Tiene una dureza de 200 en la escala Brinell y un alargamiento del 15 %. Aunque es más dura y resistente que la ferrita, es más blanda y maleable que la cementita.

Martensita: es el constituyente más denso de los aceros, y es una solución sobresaturada de carbono en

hierro α. Se obtiene por enfriamiento rápido de los aceros a partir de la austenita. Después de la cementita, es el constituyente de los aceros más duro, siendo su alargamiento muy bajo (por debajo del 2´5 %). Es magnética.

Otros constituyentes, no menos importantes, son la troostita, sorbita, bainita, steadita y ledeburita. Unos se forman por transformaciones isotérmicas (troostita, sorbita y bainita) y otros forman parte ya de las fundiciones (steadita y ledeburita).

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9. METALES NO FERROSOS

Aunque los productos ferrosos son los más usados en la actualidad, cada vez adquieren más importancia otros metales no ferrosos, empleándose en cantidad de piezas en la industria y de uso cotidiano. Podemos clasificarlos, atendiendo a su peso específico, en pesados con densidad > a 5 Kg/dm3 (W, Pb, Cu, Co, Ni, Sn,

Cr, Zn), ligeros con densidad > a 2 y < a 5 Kg/dm3 (Ti, Al) y ultraligeros con densidad < a 2 Kg/dm3 (Be, Mg). En general, son blandos y tienen poca resistencia mecánica, por lo que se alean para mejorar sus propiedades. Se

pueden moldear y mecanizar fácilmente. En muchos casos tienen un acabado bueno, usándose como decoración. Atendiendo a su utilización, de más a menos, los más importantes son: cobre (y sus aleaciones), aluminio, estaño, plomo, cinc, níquel, cromo, titanio y magnesio.

9.1 COBRE

Junto con el aluminio, el cobre (Cu) es el metal más usado. Fue de los primeros metales usados por el hombre. Se encuentra nativo en sulfuros (calcopirita y calcosina) que son las menas más importantes y óxidos (cuprita, malaquita y azurita). Las principales minas están en EEUU, Rusia, Chile, Zambia y Canadá.

Su obtención se realiza por dos procedimientos llamados vía seca (para minerales con un mínimo de un 10 a un 15 % de Cu) siendo el método más empleado y, por vía húmeda (para minerales con % de Cu entre un 3 y un 10 %).

La metalurgia del cobre por vía seca se realiza en 4 fases:

1. Concentración del mineral por flotación de la ganga después de haber sido triturado con el fin de pulverizarlo, para eliminar parte de la ganga y conseguir un 20 % aproximado de cobre. Al ser el mineral más

pesado, se va al fondo de donde posteriormente se recoge. 2. Eliminación parcial del hierro por tostación incompleta (oxidación parcial) y no del cobre, que elimina

también parte del azufre en forma de de SO2, utilizado para fabricar ácido sulfúrico (SO4H2). 3. Formación de la mata calentando la masa anterior a unos 1100 ºC (contenido entre un 25 y un 40% de Cu) y

oxidación posterior de la mata en el convertidor para eliminar el hierro sobrante por tostación y reducción, obteniendo cobre puro (del 93 al 95 %), también llamado Blister, bruto o negro.

4. Afino del cobre en hornos de reverbero, por oxidación del cobre y reducción después y, finalmente, afino por electrolisis hasta conseguir purezas del 99´95 % de Cu.

La metalurgia del cobre por vía húmeda se basa en triturar todo el mineral y añadirle ácido sulfúrico y sulfato de hierro. Luego, mediante electrólisis con un ánodo de plomo y un cátodo de cobre, se obtiene cobre muy puro.

Es de color rojo parduzco, blando, tenaz, frágil, muy dúctil y también maleable, por lo que se puede forjar en frío (aunque se vuelve duro y quebradizo por lo que hay que hacer un tratamiento de recocido a 600 ºC) y caliente. Su peso específico es de 8´96 Kg/dm3 y funde a 1083 ºC. Resiste muy bien los agentes atmosféricos y a la mayoría de los líquidos utilizados en la industria, al recubrirse de una capa verdosa denominada cardenillo que lo protege. Después de la plata, es el metal mejor conductor del calor y la electricidad. Entre sus principales aplicaciones están los alambiques debido a su conductividad térmica y los conductores eléctricos

debido a su conductividad eléctrica. Debido a su resistencia a la oxidación, se usa en fontanería. Por su resistencia a productos químicos usados en la industria, se usa mucho en serpentines, calderas, etc. También se usa en construcción de muchas piezas. Antiguamente se utilizaba mucho en recipientes domésticos, pero tenía el peligro del cardenillo que es sumamente venenoso si se descuida su limpieza. En este caso se ha sustituido por aluminio. Otra de

sus principales aplicaciones es la formación de sus aleaciones (bronces, latones, cuproaluminio, cuproníquel y alpaca) algunos de enorme importancia industrial.

9.2 ESTAÑO El estaño (Sn) es conocido por la humanidad desde el tercer milenio A.C. No se encuentra libre en la naturaleza, sino

principalmente en óxidos (casiterita). Actualmente, para obtener 200 gramos, es necesario mover hasta 1 tonelada de mineral. Las principales minas se encuentran en China, Malasia, Bolivia, Perú, Brasil, Indonesia y Tailandia. El constante aumento de su consuma ha provocado que se establezca un control internacional de precios y cuotas.

La metalurgia del estaño es de la siguiente manera:

1. Se tritura y muele el mineral para posteriormente separarlo de la ganga por decantación en cubas con agua agitada. El mineral, al ser más pesado queda en el fondo.

2. Se introduce en un horno donde se oxidan los posibles sulfuros de estaño y se convierten en óxidos. 3. La mena de estaño, en forma de óxidos, se introduce en hornos de reverbero donde se produce la reducción,

desprendiéndose el estaño al fondo y quedándose la escoria en la parte superior.

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4. El estaño obtenido se somete a un proceso de afinado electrolítico, obteniéndose purezas de hasta el 99´8 %. A temperaturas superiores a 13´8 ºC tiene un color blanco plateado brillante, perdiendo el brillo por debajo de esa temperatura. Funde a 232 ºC y posee un peso específico de 7´28 Kg/dm3. Es medianamente blando, flexible, muy

dúctil y maleable a 100 ºC, pero quebradizo en caliente. No le atacan los ácidos orgánicos ni el aire a temperatura ambiente, pero sí le atacan los ácidos fuertes. Se funde y oxida con el calor. Tiene poco resistencia a la tracción, se corta fácilmente con un cuchillo y se trabaja muy bien con el torno, no así con la lima, pues se embota. Las impurezas le afectan desfavorablemente, excepto el plomo y cobre que le dan resistencia. Si se dobla una barra de estaño se produce un crujido característico llamado grito del estaño, debido a la dislocación de sus cristales. Por debajo de 13´8 ºC va perdiendo peso específico y se va transformando en polvo gris. A -40 ºC es todo polvo. Este fenómeno se conoce como peste del estaño.

Debido a su maleabilidad se usa para hacer hojas finas de hasta 0´001 mm utilizadas en envolturas, aunque se está sustituyendo más por aluminio. También debido a su maleabilidad y su resistencia a la corrosión, se utiliza para fabricar hojalata (chapa de acero recubierta por una capa fina de Sn fundido fabricada por electrolisis con un espesor

medio de 0´001 mm), capaz de proteger contra la corrosión y facilitar su soldadura. Junto al Pb se utiliza como material de soldadura blanda, debido a su bajo punto de fusión. También junto al Pb, Cu y Sb se usa como material antifricción en la fabricación de cojinetes. Otro uso es para recubrir objetos, con motivo ornamental o en útiles de cocina al no ser tóxico. Aún con todo, una de sus principales aplicaciones es, junto al Cu, la fabricación de aleaciones

como el bronce. Otras aleaciones utilizadas son las de bajo punto de fusión, junto al Pb, Bi y Cd principalmente utilizadas en la fabricación de fusibles eléctricos.

9.3 ALUMINIO El aluminio (Al) es uno de los componentes principales de la corteza terrestre, de la que forma parte en más del 8 %. No se encuentra libre en la naturaleza, sino formando parte de numerosos minerales de los que el más importante es la bauxita. La única forma rentable económicamente de realizar su extracción es la reducción por el método Bayer, mediante

electrolisis, del óxido de aluminio (Al2O3, llamado alúmina) a aluminio metal. La metalurgia del aluminio comprende dos fases:

1. Primero se obtienen la alúmina por medio de un proceso químico al hacer digerir la bauxita molida en una solución de sosa cáustica, cal y agua a temperatura elevada. Las impurezas se eliminan por filtración.

2. Luego se reduce la alúmina (eliminando el oxígeno) por medio de electrolisis en un baño de criolita (sal doble de aluminio y sodio) y electrodos de carbón. La criolita provoca una bajada en la temperatura de fusión

próxima a 1000 ºC, siendo posible separar los elementos de la alúmina. El aluminio se deposita en el fondo de la cuba en el cátodo, mientras el oxígeno reacciona en el ánodo provocando CO2 y algo de CO.

3. El aluminio obtenido posee purezas del 99 al 99´8%. Si se desea mayor grado de pureza, se refina posteriormente pudiendo llegar al 99´99% de pureza.

Para obtener 1 tonelada de aluminio, se necesitan 4 toneladas de bauxita, 80 Kg de criolita, 600 Kg de electrodos de carbón y 22000 KWh. Por ello, las fábricas de aluminio se levantan siempre cerca de fuentes de energía barata. El aluminio fundido se mantiene de las cubas se vierte en contenedores aislados y se traslada a unos hornos que lo mantiene caliente, en los que se preparan las aleaciones que le darán las propiedades especiales. Aquí se obtienen también bloques y lingotes para su posterior utilización.

Es de color gris claro que pulimentado se parece a la plata, con un peso específico de 2´7 Kg/dm3 que funde a 660 ºC. Es blando, muy dúctil y maleable. Es prácticamente inalterable al aire al protegerse de una capa fina de óxido en su exterior. Sin embargo, el agua marina lo corroe fácilmente. Es buen conductor del calor y la electricidad. Se suelda con dificultad, debido a la capa de óxido que lo protege, volviendo a formarse en cuanto se elimina. Se trabaja

fácilmente con herramientas de corte y se moldea, extrusiona y prensa fácilmente. Soporta bien la acción del vapor y muchos ácidos (como el nítrico). Sin embargo, le atacan otros (como el ácido sulfúrico, clorhídrico, sales, etc.). Después del hierro, es el metal más utilizado. Por su ligereza, unido a su tenacidad e inalterabilidad a los agentes

atmosféricos, cada vez alcanza mayores aplicaciones. Sin embargo, excepto en usos eléctricos y de recubrimiento, no se suele usar el aluminio puro, sino sus aleaciones. Se comercializa en forma de alambre, chapas, perfiles y barras. Debido a su maleabilidad, se fabrican hojas de aluminio por laminado en caliente seguido de otro frío, usándose en

empaqueto de alimentos. También sustituyen las hojas de aluminio al hilo de cobre en los bobinados y otros usos eléctricos. Debido a su ductilidad y conductividad eléctrica, los cables eléctricos que atraviesan los campos suelen estar construidos por un núcleo de hierro recubierto de aluminio puro. Pulimentado es un excelente reflector, por lo que se usa en grandes telescopios astronómicos. Debido a su ligereza y resistencia a la corrosión, las aleaciones de

aluminio se utilizan en revestimiento de paredes, marcos de puertas y ventanas, persianas, etc. En algunos vehículos, el bloque del motor es de aluminio fundido. También se utiliza en estructuras de barcos, aviones, coches, bicicletas, electrodomésticos, etc. Por su elevada conductividad térmica y resistencia a la corrosión se emplea en utensilios de

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cocina y, en general, en intercambiadores de calor. En polvo se emplea para fabricar purpurinas y pinturas resistentes al fuego y a la corrosión. También se emplea, debido a su resistencia a la corrosión, en depósitos de algunos ácidos, cerveza, vino, utensilios de cocina, etc. Muchas de estas aplicaciones son de sus aleaciones.

9.4 CINC o ZINC El cinc o zinc (Zn) se encuentra en la naturaleza principalmente en forma de sulfuro de zinc (SZn), mineral llamado

blenda, y algo en la calamita. Se obtiene por vía seca si el mineral posee más de un 10% de zinc tostando el sulfuro de zinc, y la masa tostada (óxido de zinc) se calienta con carbón en hornos de mufla (cámara cerrada recubierta de material refractario) hasta

alcanzar la temperatura necesaria para que se realice la reducción. Luego se somete a una nueva tostación o por medios electrolíticos para eliminar más impurezas, obteniéndose una riqueza de más del 98%. Es de color blanco azulado con brillo metálico en aire seco, pero pronto se pone una capa gris que lo protege del aire

húmedo. Tiene un peso específico de 7´15 Kg/dm3 y un punto de fusión de 419 ºC. Fundido y frío es frágil y quebradizo, poco resistente y nada maleable. Sin embargo, a temperaturas entre 100 y 150 ºC se puede laminar, adquiriendo la forma deseada y algo de dureza. A partir de los 200 ºC es muy frágil otra vez. Es un metal blando.

Aproximadamente el 50% de su producción se emplea para fabricar planchas planas u onduladas para recubrir edificios, canalones, tuberías, etc., así como recipientes. Otro 30 % aproximadamente, debido a su resistencia a los agentes atmosféricos, se emplea en recubrir otros materiales por metalización en inmersión en caliente, como el acero (acero galvanizado) que lo protege de la oxidación durante muchos años. El resto se emplea en aleaciones

(latones, Zamak, aleaciones antifricción, etc.), pinturas y en compuestos químicos.

9.5 PLOMO El plomo (Pb) se encuentra en la naturaleza principalmente en forma de sulfuro de plomo (SPb), mineral llamado galena. Los principales productores son Australia, América del Norte y Central, Alemania y España.

Se obtiene por tostación parcial de la galena, con lo que se elimina el azufre. Este plomo tiene muchas impurezas por lo que se funde, subiendo las impurezas arriba y pudiéndose separar. La plata es una impureza frecuente en el plomo fundido, por lo que su extracción a veces es rentable.

Tiene un brillo metálico recién cortado, pero se vuelve gris rápidamente al protegerse de una capa de óxido que lo protege. Su densidad es 11´34 Kg/dm3, lo que sirve para diferenciarlo del estaño y zinc, de aspecto es semejante. Es muy flexible, deformándose por su propio peso. Su punto de fusión es de 327 ºC. Es buen conductor del calor y la electricidad, aunque bastante menos que el cobre. Es muy poco dúctil pero maleable en frío. Es muy blando, se puede

rayar con la uña y cortar con un cuchillo. Se funde fácilmente y se alea con dificultad, excepto con el estaño. Al trabajar con él hay que tomar precauciones, como no tacarse la boca, la nariz ni fumar, para evitar intoxicaciones que dan lugar a una enfermedad llamada saturnismo. Por ello es necesario lavarse las manos después de trabajar con

él, además de necesitarse una buena ventilación donde pueda existir polvo o vapores de plomo. Por resistir bien a los agentes atmosféricos y químicos se utiliza en conducciones de agua (en desuso), gas y otros productos químicos, así como en forma de planchas para revestimiento de cámaras y depósitos que contengan ácido sulfúrico. Los óxidos (minio y albayalde) se emplean en pinturas protectoras de la oxidación en construcciones metálicas. El llamado plomo duro (con un 10% de antimonio Sb), se empleaba en juguetes, imágenes, cubiertos, etc., aunque en la actualidad está prohibido debido a la posible intoxicación. Tiene gran aplicación en aleaciones como la soldadura blanda, metal antifricción, metal de imprenta, bronces, etc. También se utiliza en perdigones, juntas de

asiento, armaduras de cables eléctricos, fusibles, etc.

9.6 OTROS METALES DE USO INDUSTRIAL Entre los metales no ferrosos pesados que tiene importancia, destacan:

Cromo: Aunque no se encuentra libre en la naturaleza, está muy extendido en diferentes minerales, entre los

que destaca la cromita, que es un compuesto Cr y Fe. Es de color gris acerado brillante. Su densidad es de 6´8 Kg/dm3 y el punto de fusión es de 1900 ºC. Es muy duro pero frágil. Resiste bien la oxidación y corrosión. Se emplea en decoración y protección de otros metales por medio de un recubrimiento que recibe el nombre de cromado electrolítico. También se emplea, junto al Ni, en la fabricación de aceros inoxidables y en aceros

para herramientas. El cromo puro no es tóxico, pero sus ácidos y sales sí, considerándose su intoxicación como enfermedad profesional.

Níquel: Puro sólo se ha encontrado en restos de meteoros, siendo sus principales minerales la niquelina y la garnierita. Es de color plateado brillante, duro, tenaz, dúctil y maleable. Su densidad es de 8´9 Kg/dm3 y el

punto de fusión de 1453 ºC. Es magnético y muy resistente a la oxidación, corrosión, desgaste y a los reactivos químicos. Se pule muy fácilmente. Se emplea en fabricar aceros inoxidables, en aparatos de la industria química, en recubrimiento de otros metales por electrolisis (niquelado), en aleaciones para motores de aviación y turbinas, en bronces al níquel (alpaca), etc.

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Wolframio: También llamado volframio y tungsteno, se encuentra se la naturaleza principalmente en el

mineral llamado wolframita. Su densidad es de 19´5 Kg/dm3 y el punto de fusión de 3370 ºC. Debido a su alto punto de fusión, se emplea en filamentos de bombillas incandescentes, en herramientas de corte de metal duro (Widia y estelitas) y en fabricar aceros de corte rápido.

Cobalto: Se obtiene de diferentes minerales, entre los que destaca la cobaltina. Su densidad es de 8´6 Kg/dm3 y el punto de fusión de 1490 ºC. Sus propiedades son como las del Ni, pero no es magnético. Se emplea en aceros rápidos para herramientas y en la fabricación de metales duros por sinterización para herramientas de corte.

Titanio: es muy abundante en la naturaleza, pues es un componente de casi todas las rocas de origen

volcánico que contienen hierro (ilmenita) y en forma de dióxido de titanio (rutilo). Es de color blanco plateado y resiste mejor la oxidación y corrosión que los aceros aleados. Su densidad es de 4´5 Kg/dm3 y el punto de fusión de 1675 ºC. Debido a su ligereza y altas prestaciones mecánicas además de gran dureza, se emplea en estructuras y elementos de máquinas en aeronáutica sustituyendo al aluminio, o aleado con éste y

el vanadio. En forma de nitruro se emplea en herramientas de corte. En forma de carburo se emplea en la construcción de aletas de turbinas. En forma de óxido y pulverizado en pinturas antioxidantes llamadas “blanco de titanio”. Aleado con carburo de wolframio con Co y Ni de aglomerante se usa en muelas abrasivas. Por su resistencia a la sal marina, se emplea en depósitos de agua de plantas potabilizadoras.

Berilio: es de color gris parecido al aluminio, poco abundante en la naturaleza, procediendo su nombre del propio mineral berilio. Su densidad es de 1´85 Kg/dm3 y el punto de fusión de 1287 ºC. Expuesto a la intemperie, se cubre de una capa de óxido que lo protege. Al ser un mineral muy escaso, su uso está muy limitado, a pesar de las excelentes características que presentan sus aleaciones, mejorando su resistencia a

la corrosión, dureza y mejores propiedades aislantes. Se utiliza en pantallas de tubos de rayos X. Aleado con el Cu, lo endurece. El bronce al Be es tan duro y elástico como el acero. A las aleaciones ligeras y ultraligeras les da una gran dureza y tenacidad.

Magnesio: se obtiene principalmente de minerales como la dolomita, sepiolita, carnalita, asbesto, talco y

de la magnesita. También se encuentra en sulfatos disueltos en el agua de mar. Tiene un color blanco parecido a la plata. Su densidad es de 1´74 Kg/dm3 y el punto de fusión de 650 ºC. Es maleable pero poco dúctil. En estado líquido o en polvo es muy inflamable. Por su ligereza y mejor resistencia mecánica que el aluminio, se emplea en aeronáutica. Debido a su facilidad en inflamarse, se emplea en estado puro en

pirotecnia. Su principal aplicación son las aleaciones ultraligeras junto al aluminio.

9.7 ALEACIONES DE COBRE Y ESTAÑO: BRONCE El nombre de bronce se dio en un primer momento a una aleación de cobre con un 25 % de estaño, pero hoy en día se aplica a una amplia gama de aleaciones cuya base es el cobre, algunas de las cuales tienen poco estaño o incluso nada. A esos bronces sin estaños e les denomina bronces especiales. Se inventó en la Edad de Bronce, donde se

utilizaba principalmente para fabricar utensilios y elementos de decoración. Se obtiene fundiendo cobre puro desmenuzado en un horno al que se añade estaño y los otros elementos de la aleación. El bronce fundido se cuela en moldes a fin de hacer lingotes para una nueva fusión o conformación. Se

emplean distintos tipos de hornos, como el eléctrico de inducción o el horno de crisol, en el que el metal se funde en un gran cuenco o crisol calentado por gas. El estaño en los bronces tiene una influencia parecida al cinc en los latones, pero más enérgica. Los bronces dan productos moldeados más sanos que los latones y se trabajan mejor. Su peso específico y color varían con los porcentajes de estaño y otros aleantes, desde un rojo pálido hasta el blanco. La resistencia a la corrosión aumenta con el contenido de estaño, aproximándose a la resistencia del cobre a los

agentes atmosféricos. Resisten el agua caliente, fría y el vapor, pero menos el agua marina que algunos latones. Soportan el ácido nítrico y sulfúrico, así como los carburantes, por lo que se emplea en la industrial del petróleo. Los bronces se clasifican en dos grandes grupos:

Ordinarios (~ 10 % de Sn). Tienen muchas aplicaciones por sus buenas cualidades para el rozamiento (engranajes, cojinetes, etc.), su excelente moldeabilidad y resistencia a la corrosión (saneamientos, válvulas, etc.), su bello aspecto (monedas, medallas, decoración, etc.), su sonoridad (campanas, timbres, etc.) y,

sobre todo, en piezas de maquinaria.

Especiales con elementos aleantes en proporciones variables. Los cuproaluminios se utilizan en la industria del automóvil (faros, refractores, etc.), en bisutería, monedas, contadores de agua y gas, ejes, turbinas, etc. Los bronces al Mn se emplean en piezas de maquinaria forjada con estampa en construcción naval (resistín,

con 5% de Mn), como resistencias eléctricas, álabes de turbinas, engranajes, etc. Los bronces al Ni también se utilizan como resistencias (nicrom con 80 % de Cu y 20 % Ni y constatán con 50 % de Cu y 50 % de Ni), en cubiertos, bisutería, relojería, instrumentos musicales (alpaca con Cu, Ni, Zn y Sn en proporciones variables, con un color plateado), monedas, etc. Los bronces al Pb (entre un 1 y un 5 %), debido a su resistencia al

desgaste, se emplean en cojinetes para motores. Los bronces al Si (entre un 1 y un 3 %), debido a su buena conductividad, se empelan en hilos telefónicos. Los bronces al Be, debido a su alta resistencia mecánica, elasticidad, dureza, buena conductividad térmica y eléctrica y resistencia a la corrosión ente otras propiedades, se usan en resortes, contactores, relés, membranas elásticas, piezas de relojería, etc.

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9.8 ALEACIONES DE COBRE Y CINC: LATÓN El latón es una aleación de cobre con cinc. Probablemente fue inventado hacia el año 1000 A.C., en el nordeste de Turquía, calentando cobre con mineral de cinc y carbón vegetal, al que llamaban bronce blanco. Los persas lo

utilizaron desde el siglo V A.C. y los romanos desde el siglo I A.C. El máximo de cinc no puede sobrepasar el 50 %, pues aparece un constituyente metálico que hace a las aleaciones muy frágiles.

Se obtienen a partir de cantidades pesadas de Cu puro, Zn y otros elementos aleantes en su caso, además de chatarra limpia con alto contenido de cinc. Debido a sus diferentes puntos de fusión, se calienta primero el cobre y a continuación se hecha cinc sólido en hornos eléctricos de arco o inducción. Una vez fundido, se vierte en moldes para fabricar tubos, varillas o tochos rectangulares de los que luego se obtienen planchas. Para que no se pegue el metal al

molde, se lubrica. Los latones industriales con menos del 40 % de Zn, presentan las propiedades esenciales del cobre y una mayor facilidad de trabajo, pues el cinc aumenta su fusibilidad, facilidad de moldeo y la resistencia mecánica. El color varía

con el % de Zn, desde un gris oscuro a un rojo amarillento. También depende del % de Zn sus propiedades físicas y mecánicas. Hay impurezas que benefician a los latones (Al, Sn, Pb, Fe y Ni) y otras le perjudican (Sb, P, Bi, Cd, S y Mg).

Atendiendo al % de cinc, existen tres tipos principales:

Alfa: Tienen un 38 % máximo de Zn, siendo muy resistentes y dúctiles. Se emplean mucho en piezas moldeadas, hilos y laminados en planchas.

Alfa-Beta: Tienen entre el 38 y 42 % de Zn. Se emplean en piezas pequeñas a partir de laminados.

Beta: Contienen más del 42 % de Zn. Son los más duros pero menos maleables de todos. Atendiendo a si tienen, además de Cu y Zn, otros elementos, se clasifican en:

Ordinarios: Sólo tiene Cu y Zn, además de otros elementos en forma de impurezas.

Especiales: Aquellos que, además de Cu y Zn, poseen otros elementos aleantes beneficiosos. Los ricos en cobre se emplean en joyería por que imitan al oro. Los amarillos se emplean, por su ductilidad, en

embutición. Los latones al estaño, por su resistencia a la corrosión, en maquinaria marina. Por su menor precio que el cobre, se emplea siempre que se le puede sustituir.

9.9 ALEACIONES DE PLOMO Y ESTAÑO El plomo, junto a otros elementos aleantes entre los que destaca el estaño, forma parte de una gran cantidad de aleaciones:

Para soldadura blanda, con un 20 a 60 % de Pb y el resto de Sn, utilizado en soldadura de Pb, Zn, hojalata, aparatos eléctricos, etc. Posee también entre un 1 y un 3 % de Ag.

Para caracteres de imprenta, con un 65 % de Pb, 25 % de Sb y 10 % de Sn.

Para perdigones, con un 0´9 a 2 % de Sb, que le da dureza y facilita su formación.

Como plomo duro, con un 10 % de Sb se utilizaba en juguetes, imágenes, cubiertos baratos, etc. Una gran aplicación es el metal antifricción (también llamado metal Babbit o metal blanco), empleado para

revestir cojinetes que mejoran sus propiedades. Si falla el engrase o hay un calentamiento excesivo, el antifricción se funde al ser más resistente al desgaste pero tener un punto de fusión más bajo, con lo que protege al mecanismo y solo se tiene que sustituir el cojinete. Se montan generalmente sobre casquillos de acero, y cuando se requiere máxima seguridad, sobre casquillos de bronce.

Las aleaciones antifricción poseen buena plasticidad, resistencia a la compresión, al desgaste y a la corrosión. Además, tienen buena conductividad calorífica, buena adherencia con el metal base, bajo coeficiente de rozamiento y bajo punto de fusión.

Hay aleaciones antifricción al Sn (3 a 10 % de Cu, 4 a 13 % de Sb y resto de Sn), al Pb (10 a 15 % de Sb, 0´5 a 1´5 % de Sn y el resto Pb) y al Sn-Pb (con un 20 a 30 % de Pb, 10 a 15 % de Sn y resto Cu). Se venden en general en comercios en forma de barras para fundirlas o colocarlas directamente sobre el soporte del cojinete en muchos casos.

9.10 ALEACIONES DE ALUMINIO

Se denominan aleaciones ligeras aquellas que tienen como base el aluminio. Los metales de aleación más empleado, generalmente con menos de un 15 %, son el Cu, Si, Zn, Mn y Mn, aunque también pueden poseer Ni, Fe, Co, Cr y Ti. Su principal característica es su bajo peso, algunas de ellas hasta 1/3 del acero.

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Las aleaciones de cobre son las más importantes y generalmente no sobrepasa el 15 % de Cu por hacerse frágil, aunque en algún caso llegan al 50 % de Cu. El cobre endurece al aluminio, mejorando sus propiedades mecánicas y manteniendo su ligereza (alrededor de 2´8 Kg/dm3) y maquinabilidad.

Las aleaciones de silicio le siguen en importancia, variando entre un 5 y un 20 % de Si. El silicio endurece el aluminio, aumenta su fluidez en la colada y mejora su resistencia a la corrosión. Son dúctiles, resistentes al choque, tienen bajo coeficiente de dilatación y elevada conductividad térmica y eléctrica. Su peso específico es de alrededor de 2´7 Kg/dm3. Su principal aplicación es en la fundición de piezas y la fabricación de piezas para ambientes marinos. Las aleaciones de cinc tienen un máximo de un 20 % de Zn. No se pueden templar. Son más baratas que las de cobre con iguales propiedades mecánicas, pero más pesadas y menor resistencia a la corrosión.

Las aleaciones de magnesio (entre otras Magal y Fumagal) poseen menos del 10 % de Mg. Son más ligeras que el propio aluminio (alrededor de 2´6 Kg/dm3), denominándose aleaciones ultraligeras. Poseen buenas propiedades mecánicas y buena resistencia a la corrosión.

Las aleaciones al manganeso tienen menos del 2 % de Mn. El manganeso aumenta la dureza del aluminio, su resistencia mecánica y mejora la resistencia a la corrosión. Por su ligereza, se utilizan en aeronáutica, culatas, cárteres, émbolos, puertas, ventanas, molduras, etc.

9.11 SINTERIZADOS O CONGLOMERADOS METÁLICOS

Los metales, además de emplearse laminados o fundidos, puros o en aleaciones, se usan cada vez más sinterizados o conglomerados. La sinterización consiste en aglomerar a alta temperatura y fuerte presión los distintos componentes, después de pulverizarlos y mezclarlos. Se suele hacer en moldes de acero, sin tener que alcanzar la temperatura de fusión de todos sus componentes. Por ello se pueden sinterizar materiales que no son miscibles y en

cualquier proporción. Se emplean principalmente en los siguientes casos:

Cuando se deseen obtener metales o aleaciones porosos.

Cuando los metales tengan un alto punto de fusión.

Cuando no sean aleables los cuerpos que se desean unir.

Cuando se deseen unir dos o más metales pero sin que formen aleaciones.

Entre las aplicaciones más importantes de los conglomerados metálicos, tenemos:

Cojinetes porosos: En ellos el aceite pasa a través de sus poros o se sirven impregnados y lo van cediendo a medida que hace falta (cojinetes autolubricados).

Metales duros: Las cuchillas de metal duro suelen ser mezclas sinterizadas a unos 1800 ºC de carburos de wolframio con cobalto o titanio principalmente, previamente pulverizados y sometidos a una presión que les da la forma deseada.

Filamentos de lámparas eléctricas.

Herramientas de diamante: Se forman a partir de conglomerados de diamante con carburos metálicos o metales.

10. LOS PLÁSTICOS: DEFINICIÓN Y PROPIEDADES GENERALES DE LOS PLÁSTICOS Se denominan plásticos a un gran número de productos de origen orgánico y alto peso molecular, que son sólidos en su estado definitivo, flexibles muchos de ellos, resistentes a la corrosión, oxidación y a muchos agentes químicos, dúctiles y maleables la mayoría de ellos, baja densidad, impermeables y aislantes del calor, el sonido y la electricidad. Se mecanizan fácilmente y poseen buena resistencia mecánica a la tracción, compresión, torsión, etc. Su

principal propiedad es “lo baratos que son”. En alguna etapa de su fabricación, son lo suficientemente fluidos como para moldearlos por calor y presión, adquiriendo la forma del molde. De esta propiedad llamada plasticidad recibe su nombre. Están compuestos de macromoléculas de origen natural o sintético de elevado peso molecular.

Sus principales inconvenientes son el alto poder calorífico que en su combustión produce emisiones muy dañinas para el hombre, ardiendo fácilmente al estar compuestos principalmente de hidrógeno y carbono aunque admite otros compuestos El humo y tipo de llama son característicos del tipo de plástico. También hay que destacar que por su durabilidad es un gran problema su eliminación.

10.1 BREVE HISTORIA DE LOS PLÁSTICOS

La mayoría de los plásticos son relativamente modernos, pues al comienzo solamente se empleaban productos orgánicos moldeables por calor y presión, como la goma de laca, la caseína, la ebonita, el celuloide, etc.

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En 1860 un millonario americano ofreció una recompensa para sustituir las bolas de billar de marfil por otro material. Hyatt inventó el celuloide, pero no le sirvió para ganar el concurso. En 1908, Baekeland obtuvo de forma industrial fenol-formaldehído, iniciándose la era de los plásticos. Él le llamó “resina artificial”, aunque luego le dieron el nombre de baquelita en su honor.

10.2 PRINCIPALES COMPONENTES DE LOS PLÁSTICOS

RESINA BASE: entre los compuestos sintéticos el petróleo, hulla y gas natural. Las miles de moléculas base (monómeros) forman miles de moléculas grandes (polímeros) por diferentes procedimientos (polimerización, copolimerización, policondensación, etc.), dependiendo del monómero base.

CARGAS: son sustancias minerales o vegetales que modifican las propiedades mecánicas y bajan el precio.

COLORANTES Y PIGMENTOS: son sustancias minerales o vegetales que dan color a la resina base.

PLASTIFICANTES: son componentes orgánicos que aumentan su flexibilidad en caliente.

CATALIZADORES: también llamados estabilizadores, son componentes químicos que aseguran las propiedades iniciales de las resinas base.

EMULGENTES y ACELERADORES: aceleran el endurecimiento de los plásticos.

LUBRICANTES: Son compuestos orgánicos que facilitan el desmoldeo del plástico.

10.3 LA POLIMERIZACIÓN Hemos visto antes que existen muchos procedimientos para obtener los polímeros y que se pueden obtener de diferentes productos o resinas base. Si se parte del petróleo, se refina para formar

moléculas pequeñas (monómeros) que luego se combinan para formar los polímeros. El procedimiento de polimerización se realiza en la industria

química y consiste en introducir (de forma resumida) en un reactor el monómero base junto a colorantes, cargas, catalizadores y otros productos según el polímero deseado, a alta temperatura y presión. El producto obtenido es un polímero líquido que hay que secar

posteriormente y separar del catalizador. El polímero seco se tritura posteriormente y se presenta en forma de polvo, gránulos (pellets) o bolitas. Este es el producto que irá a

la industria manufacturera de objetos de plástico.

10.4 TIPOS DE PLÁSTICOS

Existen muchas clasificaciones de los plásticos, como por ejemplo los hemos clasificado al comienzo en naturales y

sintéticos. Otra clasificación muy común es atendiendo a su comportamiento frete al calor. Vamos a ver una

clasificación atendiendo a su estructura interna:

1. TERMOPLÁSTICOS: son aquellos plásticos que se deforman con calor, se solidifican al enfriarse y se pueden

volver a procesar posteriormente cuantas veces se quiera sin perder sus propiedades. Son, por tanto,

plásticos reciclables. Por lo general no soportan temperaturas superiores a los 130º, excepto el teflón, por lo

que se usa en recubrimientos de utensilios de cocina expuestos al fuego. Los polímeros se unen por fuerzas

débiles (polímeros lineales) que se rompen con el calor. Luego veremos los tipos principales.

2. TERMOESTABLES: son aquellos que también se deforman por calor y presión en un proceso denominado

curado, pero los polímeros se entrecruzan entre sí, dando un plástico más rígido y resistente al calor que los

termoplásticos, pero también más frágil. La unión tan entrelazada de los polímeros (como la red de un

pescador) hace que no sean reciclables con el calor. Como ejemplos tenemos los fenoles (dispositivos

eléctricos, botones, pomos, mangos, etc.), las aminas (adhesivos para contrachapados y tableros, cascos de

barcos, etc.), las resinas de poliéster (con fibra de vidrio para paneles de barcos, etc.) y las resinas epoxi

(revestimiento de latas de alimentos y bidones y como adhesivo).

3. ELASTÓMEROS: Las moléculas de los elastómeros forman una red que puede contraerse y estirarse. No

soportan bien el calor degradándose, por lo que no se pueden reciclar. Como ejemplos tenemos el caucho

natural y artificial (ruedas, suelas, tubos flexibles, etc.), el neopreno (correas, recubrimiento de cables,

trajes de buceo, etc.), el poliuretano (como espuma par asientos, para prendas elásticas de vestir,

mangueras, etc.) y las siliconas (prótesis, sellado de juntas, etc.).

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10.5 TERMOPLÁSTICOS: RECICLAJE DEL PLÁSTICO

Si bien existen más de cien tipos de plásticos, los más comunes son sólo seis, y se los identifica con

un número dentro de un triángulo a los efectos de facilitar su clasificación para el reciclado,

ya que las características diferentes de los plásticos exigen generalmente un reciclaje por separado.

El número corresponde a los siguientes plásticos, correspondiendo el siete al resto de plásticos.

1. PET. Polietileno Tereftalato: Se produce a partir del ácido tereftálico y etilenglicol, por policondensación.

Pertenece al grupo de materiales sintéticos llamados poliésteres. Tiene gran resistencia al desgaste y a la

corrosión y buena resistencia química, térmica y al CO2 entre otras propiedades. Se puede procesar por

extrusión, inyección, soplado o termoconformado. Su alta transparencia se consigue enfriándolo

rápidamente, aunque admite algunos colorantes. Se usa en envases para gaseosas, aceites, agua mineral,

cosmética, frascos varios (mayonesa, salsas, etc.), películas transparentes, fibras textiles, laminados de

barrera, envases al vacío, bolsas y bandejas para microondas, cintas de video y audio, películas

radiográficas, etc.

2. PEAD. Polietileno de Alta Densidad: El polietileno de alta

densidad es un termoplástico fabricado a partir del etileno

(elaborado a partir del etano, uno de los componentes del gas

natural). Tiene gran resistencia térmica, a los ácidos y al impacto.

Es muy tenaz y ligero. Se puede procesar por inyección, soplado,

extrusión, o rotomoldeo. Se utiliza en envases (para detergentes,

aceite automotor, champú, lácteos), bolsas (para supermercados,

bazar y menaje), cajones (para pescados, gaseosas y cervezas),

baldes para pintura, telefonía, agua potable, minería, drenaje y

uso sanitario, macetas, bolsas tejidas, etc.

3. PVC. Cloruro de Polivinilo: Se produce a partir de dos materias

primas naturales: petróleo o gas natural 43 % y cloruro de sodio o

sal común 57 %. Para su procesado es necesario fabricar

compuestos con aditivos especiales, que permiten obtener productos de variadas propiedades para un gran

número de aplicaciones. Es muy dúctil y tenaz. Presenta gran resistencia a la intemperie. Se obtienen

productos rígidos (tuberías, ventanas, etc.) o totalmente flexibles (cables, calzado, etc.) por inyección,

extrusión o soplado. Se utiliza para envases de agua mineral, aceites, jugos, mayonesa, perfiles para marcos

de ventanas, puertas, cañerías para desagües domiciliarios y de redes, mangueras, juguetes,

envolturas para golosinas, películas flexibles para envasado (carnes, fiambres, verduras), cables, etc.

a. Diferentes estudios dicen que en su fabricación se generan y se vierten sin control millones de

toneladas de sustancias que alteran los sistemas reproductor e inmunitario de los seres vivos hasta

en las más pequeñas dosis. Durante su utilización pone en peligro la salud de las personas,

exponiéndolas a sustancias potencialmente cancerígenas. Cuando arde desprende gases corrosivos.

No puede ser reciclado eficientemente ni es biodegradable, ni puede ser incinerado sin volver a

producir sustancias altamente tóxicas. Hay países como Suecia que han aprobado la eliminación

progresiva del uso de PVC. Algunas comunidades autónomas y distintos ayuntamientos apuestan por

su eliminación progresiva, sobre todo la eliminación de su uso en la industria alimentaria.

4. PEBD. Polietileno de Baja Densidad: Se produce a partir del gas natural. Tiene gran resistencia térmica,

química y al impacto. Más flexible que el PEAD. Se procesa por inyección, soplado, extrusión y rotomoldeo.

Su transparencia, flexibilidad, tenacidad y economía hacen que esté presente en una diversidad de envases,

sólo o en conjunto con otros materiales y en variadas aplicaciones. Se usa en bolsas de todo tipo

(supermercados, boutiques, panificación, congelados, industriales, etc.), películas para recubrimiento

agrícola, envase automático de alimentos y productos industriales (leche, agua, plásticos, etc.), base para

pañales descartables, contenedores herméticos domésticos, tubos y pomos, tuberías para riego, etc.

5. PP. Polipropileno: Es uno de los plásticos de mayor crecimiento últimamente, debido a que admite cargas

que mejoran notablemente sus propiedades y su bajo coste. Se obtiene por polimerización del propileno. Los

copolímeros se forman agregando etileno durante el proceso. El PP es un plástico rígido de elevado punto de

fusión, muy tenaz pero flexible, excelente resistencia química, muy duro y de más baja densidad que otros

plásticos, por lo que se puede doblar fácilmente. Al adicionarle distintas cargas (talco, caucho, fibra de

vidrio, etc.), se potencian sus propiedades hasta transformarlo en un polímero de ingeniería. Se puede

transformar por inyección, soplado y extrusión. Se usa para películas para alimentos, bolsas tejidas para

patatas y cereales, envases industriales, hilos y cordelería, tapas en general, bazar y menaje, cajones para

bebidas, baldes para pintura, potes para margarina, paragolpes, tuberías para fluidos calientes, etc.

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6. PS. Poliestireno PS Cristal: Es un polímero de estireno monómero (derivado del petróleo), cristalino, de alto

brillo, muy duro y frágil. Existen otra dos variedades: el poliestireno expandido, con un 5 % de un gas que

forma burbujas, muy ligero y usado en embalajes de productos frágiles y en construcción como aislante y, el

poliestireno extrusionado, similar al expandido pero más denso e impermeable y usado como aislante

térmico en construcción e impermeable. Es fácilmente moldeable a través de procesos de inyección,

extrusión y soplado. El PP cristal se usa en recipientes para lácteos (yogur, postres, etc.), helados, dulces,

etc. También en envases como vasos, bandejas de supermercados y rotiserías. En cosmética se usa en

envases, máquinas de afeitar desechables. En bazar se usa para platos, cubiertos, bandejas, juguetes,

casetes, blisters, aislantes, En embalajes, construcción, etc.

Otros plásticos termoplásticos que tienen gran importancia son:

1. Resina ABS. Se obtiene químicamente del acrilonitrilo, butadieno y estireno, más tenaz y resistente al

calor que el poliestireno. Tiene buena resistencia térmica, química, al impacto y es duro y tenaz. Se emplea

en cascos de protección, carcasas de televisores y teléfonos, máquinas fotográficas, maletas, óptica, etc.

2. Polimetacrilato de metilo, conocido también por la marca comercial Plexiglás entre otras, y también por

PMMA. Es un polímero vítreo a temperatura ambiente. Es un sólido transparente, el que más de los plásticos,

incoloro y fácilmente moldeable con calor que soporta muy bien la intemperie. Excelente aislante térmico y

acústico. Ligero en comparación al vidrio y de dureza similar al aluminio, por lo que se raya fácilmente. Por

su transparencia (suele recibir el nombre de vidrio orgánico), se usa en los intermitentes de automóviles,

lentillas, farolas, decoración, expositores, etc.

3. Otro grupo importante son las fibras orgánicas (poliamidas y poliéster principalmente) que, tras un proceso

de hilado, se utilizan en forma de fibras en la industria textil. Entre las poliamidas la más importante es el

nailon, que tiene la posibilidad de hilarlo en finísimos hilos. Entre los poliésteres destaca el terileno, que

ofrece una gran resistencia a la tracción, haciendo tejidos prácticamente inarrugables.

4. De los derivados de la celulosa (polímero natural) destacan el celofán con el que pueden formar láminas

muy finas, transparentes y flexibles y el celuloide, que es el termoplástico industrial más antiguo, aunque

está en desuso.

5. Los policarbonatos (POM) se obtienen a partir del ácido carbónico. Se suele alear con ABS para mejorar sus

propiedades, pero tiene un precio elevado, lo que es un inconveniente. Su principal propiedad es la

transparencia y resistencia al impacto, sustituyendo al vidrio en muchas aplicaciones. Se utiliza en carcasas,

máquinas de oficinas, engranajes, cristales de aviones, ventiladores, cristales de gafas, base para CD´s y

DVD´s, moldes, techos cristalinos de automóviles, etc.

6. Los poliacetales, debido a su gran resistencia a la abrasión y corrosión, baja absorción de humedad y buenas

propiedades mecánicas frente al impacto, baja fricción y gran rigidez, están sustituyendo a las fundiciones y

aleaciones de cinc y latones en pequeñas piezas de automóviles (carcasas, interiores de puertas, paneles,

etc.), ruedas de patines, ruedas dentadas, etc. Es uno de los plásticos más caros.

7. El teflón es un derivado del acetileno, de gran estabilidad térmica (su temperatura de fusión son 327 ºC) y

gran tenacidad a las temperaturas bajas. Tiene buenas propiedades eléctricas, es un excelente aislante y

posee un coeficiente de fricción muy bajo. Por estas características se utilizan en rodamientos, engranajes,

piezas de motores, artículos de cocina, como aislante, tuberías, piezas de laboratorio, etc.

10.6 TERMOESTABLES

Como comentamos anteriormente, forman cadenas ligadas químicamente que hace necesaria la destrucción de su

estructura molecular para poder fundirlos, lo que conlleva una alteración importante de sus propiedades originales.

Por tanto, se consideran no reciclables, al preferir “incendiarse” a perder su forma nuevamente por calor. Son más

duros pero a la vez más frágiles que los termoplásticos. Estos suponen aproximadamente un 15 % del total de la

fabricación de plásticos

Entre ellos destacan:

1. Resinas epoxi. Son venenosas en estado líquido e irritan la piel, pero una vez endurecidas se vuelven

inodoras, insípidas e inocuas. Resisten bien los agentes químicos y el calor hasta 120 ºC. Son buenos

aislantes, fáciles de trabajar por arranque de viruta y poseen buenas características mecánicas y resistencia

al desgaste. Se usan en estructuras por su gran resistencia mecánica, como recubrimiento de cables

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eléctricos y como adhesivo de metales. Al disolverse en acetona, forman barnices muy resistentes a los

arañazos.

2. Resinas de poliuretano. Son muy usadas en espumas plásticas de baja densidad utilizadas como aislantes y

rellenos.

3. Baquelita. Después de la celulosa, es el plástico comercial más antiguo. Se obtiene por policondensación del

fenol y del formaldehído. Tiene mucha resistencia al calor y buena resistencia mecánica, por lo que se usan

en mangos de utensilios de cocina. Es barato, por lo que se usa también para mejorar las características de

otros plásticos abaratando el precio.

4. Formica. Se obtiene por policondensación de la melanina con el formaldehído. Tiene propiedades parecidas

a la baquelita, por lo que se usa en vajillas de alta calidad y encimeras de cocinas.

5. Siliconas. Son enlaces de silicio con oxígeno que finalmente pueden ser termoestables, termoplásticos o

elastómeros. Las resinas de siliconas son rígidas y duras, utilizándose en aislantes y pinturas industriales.

10.7 ELASTÓMEROS

Cerca del 70 % de los elastómeros se utiliza en la fabricación de neumáticos. Para conseguir su elasticidad, se les

somete a un proceso de vulcanizado (calentamiento con menos de un 8 % de azufre o selenio que facilita el enlace de

sus cadenas) mejorando su resistencia a las variaciones de temperatura, su elasticidad y lo endurece. Están formados

por uniones de un monómero llamado isopreno (el mismo de la goma natural) con azufre generalmente. Su

inconveniente principal es la pérdida de elasticidad a bajas temperaturas. También el calor, la luz y el oxígeno van

rompiendo sus enlaces, produciendo su envejecimiento.

Los hay de origen natural como el caucho, que son repeticiones del monómero isopreno, obtenido al “sangrar” el

látex del árbol de la goma. Luego se somete a vulcanizado para mejorar sus propiedades. Si se añade más azufre se

obtiene un material rígido llamado ebonita o goma dura, utilizado en baterías de automóviles, peines o correas.

La falta de caucho natural dio origen a diferentes cauchos sintéticos. Hay muchos tipos. El neopreno es uno de ellos y

posee una buena resistencia al envejecimiento y es un buen aislante, por lo que se usa en revestimientos de cables

donde otros plásticos se estropearían rápidamente, correas, mangueras, trajes de buceo, etc.

10.8 PROCESADO DE LOS PLÁSTICOS

En la industria química se había obtenido anteriormente el polímero en forma de bolitas, polvo o gránulos (pellets).

El siguiente paso es llevar a la industria del plástico ese polímero para hacer los diferentes objetos. Todos los

procedimientos se basan en calentar el polímero y posteriormente introducirlo en un molde para tome su forma.

Vamos a ver diferentes técnicas.

1. MOLDEADO POR INYECCIÓN: Es el principal método de obtención de piezas plásticas. Se introduce el

polímero en una tova. Va avanzando arrastrado por el movimiento del un tornillo o un émbolo. Se funde

debido al calor producido por unos calefactores. Se inyecta el plástico líquido en el molde y toma su forma.

Finalmente se abre el molde y se extrae la pieza. Muchas piezas de plástico se obtienen por este método, ya

sean termoplásticos, termoestables o elastómeros.

2. MOLDEADO POR EXTRUSIÓN: Básicamente es parecido al anterior. Se basa que en la salida, el plástico

fundido toma la forma de la boca, por ejemplo un tubo hueco. Luego se corta a la medida adecuada.

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3. MOLDEADO POR SOPLADO: Se basa en un recipiente hueco a partir de una preforma. La preforma del objeto

se calienta e introduce en el molde de la máquina de soplado. Se calienta y se insufla aire, obteniendo la

pieza la forma del molde. Se abre el molde y se expulsa la pieza. Es el procedimiento usado para obtener

recipientes como botellas y piezas huecas.

4. MOLDEADO POR COMPRESIÓN: Es un método usado para fabricar piezas grandes, aunque no complicadas,

por ejemplo el salpicadero de los coches. Se aplica presión y calor a una preforma compacta del material

dentro de un molde que tiene la forma definitiva. Luego se extrae la pieza. Se usa principalmente en

termoestables, pues la presión y el calor originan el entrelazado de los polímeros.

5. HILADO DEL PLÁSTICO: El polímero en polvo se introduce en un recipiente a alta presión y temperatura. Al

fundirse, se le hace pasar por boquillas del diámetro deseado, enfriándose inmediatamente por medio de

chorros de aire o un baño líquido y recogiéndose en bobinas.

6. LAMINADO: Este método se utiliza para obtener láminas finas, bien por extrusión con soplado para láminas

muy finas o por calandrado para láminas menos fluidas.

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7. ESPUMACIÓN: Es una técnica que consiste en introducir aire o gas ocluido en su interior, de tal forma que el

producto final es esponjoso y mucho más ligero.

8. MOLDEO AL VACÍO: Se usa para moldear piezas de pequeño espesor. Se calienta la plancha de plástico

introducida sobre un molde. En su parte inferior se aplica el vacío, adquiriendo la forma del molde.

10.9 PLÁSTICOS Y MEDIO AMBIENTE

El reciclado de los plásticos es un gran problema mundial debido a la gran cantidad que se produce en el mundo.

Actualmente se están desarrollando plásticos biodegradables a partir de recursos naturales como azúcares, almidón,

celulosa, etc., que se degradan rápidamente, aunque no representan apenas nada del total. Aunque todos los

plásticos son combustibles no se pueden incinerar todo, debido a la contaminación que se produciría en la atmósfera.

Además el reciclado no supone un gran ahorro, por lo que no es rentable su reutilización y sí su nueva fabricación.

En España, de los más de 5 millones de toleradas al año que generamos de residuos plásticos, apenas 700000

toneladas se reciclan. Por sí solos, tardan en degradarse como media 90 años, por lo que su impacto al final de la

cadena en el mar es letal. Ten en cuenta que una botella de plástico puede tardar en reciclarse 200 años, un

tetrabrik 30 años, una bolsa de plástico 150 años, etc.

Se están desarrollando planes de concienciación en los países desarrollados para un uso razonable de los plásticos. En

algunos casos se está sustituyendo el uso masivo de las bolsas de plástico con medidas gubernamentales.

11. FIBRAS TEXTILES

Son filamentos que se entrecruzan o trenzan, se tiñen y se entretejen para formar paños o telas. Antes de utilizar las

fibras para obtener los tejidos, se deben obtener hilos continuos de diámetro adecuado para la urdimbre (hilos

paralelos en el sentido del largo) y la trama (hilos que cruzan la urdimbre).

11.1 CLASES DE FIBRAS TEXTILES

1. NATURALES: obtenidas de la naturaleza, con pequeñas manipulaciones mecánicas.

a. Origen vegetal: arden de forma continua aunque se les aleje de la llama, dejando pocas cenizas.

Pueden provenir del fruto (algodón, kapoc, coco, etc.), del tallo (lino, cáñamo, yute, retama, etc.)

o de la hoja (sisal, abaca, esparto, etc.).

b. Origen animal: desprenden olor a pelo quemado al arder y se apagan si se alejan de la llama,

dejando una ceniza esponjosa. Pueden provenir de la lana, de pelos o la seda.

c. Origen mineral: son incombustibles, siendo su origen el amianto o asbesto.

2. ARTIFICIALES: Se producen por transformaciones químicas. Se obtienen principalmente de materiales

naturales celulósicos o proteínicos. También se obtienen por síntesis de productos obtenidos por

polimerización. Destacan el rayón, viscosa, marinova, nylon, tergal, terylene, orlón, velón, etc.

12. OTROS MATERIALES

Además de los materiales vistos hasta el momento, otros materiales que tienen gran importancia son los de

construcción y la madera. Como se han desarrollado en cursos anteriores los dejaremos por el momento, debido a lo

amplio del temario.