Los materiales

Los materiales se
clasifican generalmente en cinco grupos: metales,
cerámicos, polímeros, semiconductores y
materiales compuestos. Los materiales de cada uno de estos grupos
poseen  estructuras  y propiedades
distintas.

Metales. Tienen como
característica una buena conductividad eléctrica y
térmica,  alta resistencia,
rigidez, ductilidad.  Son particularmente útiles en
aplicaciones estructurales o de carga. Las aleaciones
(combinaciones de metales) conceden alguna propiedad
particularmente deseable en mayor proporción o permiten
una mejor combinación de propiedades.

Cerámicos. Tienen baja
conductividad eléctrica y térmica y son usados a
menudo como aislantes. Son fuertes y duros, aunque
frágiles y quebradizos. Nuevas técnicas
de procesos
consiguen que los cerámicos sean lo suficientemente
resistentes a la fractura para que puedan ser utilizados en
aplicaciones de carga. Dentro de este grupo de
materiales se encuentran: el ladrillo, el vidrio, la
porcelana, los refractarios y los abrasivos.

Polímeros. Son grandes
estructuras moleculares creadas a partir de moléculas
orgánicas. Tienen baja conductividad eléctrica y
térmica, reducida resistencia y debe evitarse su uso a
temperaturas elevadas.

Los polímeros termoplásticos, en los que
las cadenas moleculares no están conectadas de manera
rígida, tienen buena ductibilidad y conformabilidad; en
cambio, los
polímeros termoestables son más resistentes, a
pesar de que sus cadenas moleculares fuertemente enlazadas los
hacen más frágiles. Tienen múltiples
aplicaciones, entre ellas en dispositivos
electrónicos.

Semiconductores. Su conductividad
eléctrica puede controlarse para su uso en dispositivos
electrónicos. Son muy frágiles.

Materiales compuestos. Como su nombre
lo indica, están formados a partir de dos o más
materiales de distinto grupos, produciendo propiedades que no se
encuentran en ninguno de los materiales de forma
individual.

Ahora, comencemos con el grupo de los
metales.

De los elementos que figuran en la tabla
periódica, alrededor de 80 pueden ser clasificados
como metales. Todos ellos tienen  en común que sus
electrones más externos en un átomo
neutro son cedidos fácilmente. Esta característica
es la causa de su conductividad, tanto eléctrica como
térmica, de su brillo y maleabilidad.

El uso de metales puros es limitado, pues son blandos o
tienden a corroerse. Sin embargo, toleran un considerable
cantidad de elementos en estado
sólido o líquido. Así, la mayor parte de los
materiales metálicos comúnmente usados son mezclas de dos
o más metales elementales. Es posible realizar estas
mezclas de varias maneras, pero casi siempre se obtienen por la
unión de metales por arriba de su punto de fusión.
Esa mezcla sólida de metales o metaloides se denomina
aleación.

El Instituto del Hierro y del
Acero clasifica
los productos
metalúrgicos en las siguientes clases:
F Aleaciones férreas
L Aleaciones ligeras
C Aleaciones de cobre
V Aleaciones varias

Cada clase contiene
series de materiales caracterizados por una aplicación
común; a su vez, cada serie se divide en grupos de
materiales con características afines y
específicas. Y el grupo esta compuesto por individuos que
indican un tipo definido del material considerado. Así, la
identificación de un producto
determinado depende de la indicación:

Clase- Serie- Grupo- Individuo

Ejemplo: F-517 donde:
F = Aleación férrea
5 = Acero para herramientas
1 = Grupo de aceros de carbono
7 = Composición

Aleaciones
Férreas.

Son las sustancias férreas que han sufrido un
proceso
metalúrgico. También llamados productos
siderúrgicos, pueden clasificarse en: Hierro. Aceros.
Fundiciones. Ferroaleaciones. Aleaciones férreas
especiales. Conglomerados férreos.

De todos estos productos siderúrgicos, son los
aceros y fundiciones los empleados por excelencia en la
fabricación mecánica y ya en menor proporción,
los conglomerados no férreos. De estos
últimos hablaremos de forma más amplia en
capítulos posteriores.

Hierro.

Nombre de un elemento químico, blanco-gris, peso
especifíco 7.85, punto de fusión 1530 °
C,  peso atómico 55.84, No. Atómico 26,
insoluble, punto de ebullición 2450° C,
magnético hasta los 770° C, resistencia a la
tracción 25 Kg /mm2.

También aplica a los hierros industriales que son
productos siderúrgicos de los que, solamente con carácter de impurezas pueden formar parte
otros elementos.

El hierro puro carece de una gran variedad de usos
industriales debido a sus bajas características
mecánicas y la dificultad de su obtención.
Encuentra aplicaciones en la industria
eléctrica dadas sus cualidades de permeabilidad
magnética.

En los capítulos siguientes trataremos los
restantes subgrupos y sus características.

Continuando con los metales, este capítulo
esta  enteramente dedicado al siguiente subgrupo de la
lista de aleaciones férreas, los aceros, debido a
que  actualmente tienen un lugar preponderante entre los
materiales metálicos.

Acero.

Es una aleación de hierro y carbono, que
puede contener otros elementos, en la que el contenido de carbono
oscila entre 0.1 a 1.7 %, no rebasa el límite de su
saturación al solidificar quedando todo él en
solución sólida.

El carbono es el elemento principal que modifica las
características mecánicas del acero, cuanto mayor
es el porcentaje de carbono mayores serán la resistencia y
la dureza del acero, pero también será más
frágil y menos dúctil.

Clasificación de los
aceros.

El Instituto del Hierro y del Acero clasifica los aceros
en las siguientes series:

F-100 Aceros finos de construcción general.

F-200 Aceros para usos especiales.

F-300 Aceros resistentes a la corrosión y oxidación.

F-400 Aceros para emergencia.

F-500 Aceros para herramientas.

F-600 Aceros comunes.

Cada una de estas series de subdivide en grupos,
obteniendo:

Grupo F-110 Aceros al carbono.

Grupo F-120 Aceros aleados de gran
resistencia.

Grupo F-130 
"                                     
              "

Grupo F-140 Aceros aleados de gran elasticidad.

Grupo F-150 Aceros para cementar.

Grupo F-160
"                               
"

Grupo F-170 Aceros para nitrurar.

Grupo F-210 Aceros de fácil
mecanizado.

Grupo F-220 Aceros de fácil soldadura.

Grupo F-230 Aceros con propiedades
magnéticas.

Grupo F-240 Aceros de alta y baja
dilatación

Grupo F-250 Aceros de resistencia a la
fluencia.

Grupo F-410 Aceros de alta resistencia.

Grupo F-420
"                                     
"

Grupo F-430 Aceros para cementar.

Grupo F-510 Aceros al carbono para
herramientas.

Grupo F-520 Aceros aleados.

Grupo F-530
"                    
"

Grupo F-540
"                    
"

Grupo F-550 Aceros rápidos.

Grupo F-610 Aceros Bessemer.

Grupo F-620 Aceros Siemens.

Grupo F-630 Aceros para usos particulares.

Grupo F-640
"                                           
"

Formas comerciales del acero.

El acero que se emplea para la construcción
mecánica y metálica tiene tres
formas usuales: barras, perfiles y palastros.

Barras. Se obtienen en laminación y trefilado en
hileras pudiendo obtener secciones de las siguientes
formas:

Pletinas. Cuando el espesor es igual o menor de la
décima    parte del ancho de la
sección. Cuando el espesor es más delgado, se
llaman flejes.

Media caña o pasamanos.

Triángulo

Cuadrado

Hexágono y 120 mm. El acero dulce con d £ 5
y grandes   

Redondo

Perfiles. Se obtienen por laminación, siendo su
longitud de 4 a 12 m. los más corrientes son:

Doble T   Utilizadas como vigas las hay hasta
de 600 mm de altura.

U  Forma vigas compuestas. Hasta 300mm de
altura

Zeta  De dimensiones comprendidas entre 30 a 200
mm

Tubo  Que puede ser de sección cuadrada,
circular, etc.

Aceros: composición química.

En el acero, además de hierro y carbono como
elementos fundamentales, intervienen elementos accidentales,
entre ellos el azufre y el fósforo, que dada su afinidad
con el acero, son difíciles de eliminar, no obstante se
reducen a proporciones inofensivas  (< 0.05 %); otros
elementos facilitan la obtención, como el silicio y el
manganeso que adicionados en pequeñas proporciones (0.2 a
0.9 %) evitan la oxidación del metal fundido, el
resto  (97.5 a 99.5%) es hierro. Los aceros con esta
composición se llaman aceros al carbono.

Atendiendo al porcentaje de contenido en carbono, estos
aceros suelen denominarse como se indica en el siguiente
cuadro:

Aceros aleados y especiales.

Además de los elementos de los aceros al carbono,
tienen adicionados elementos como: cromo, níquel,
molibdeno, tungsteno, vanadio, etc., la adición de tales
elementos modifica o mejora las propiedades del acero. Los
efectos que proporciona cada uno de los elementos son los
siguientes:

Azufre.

Se encuentra en los aceros como impureza, se toleran
porcentajes hasta un 0.05 %, en caliente produce una gran
fragilidad del acero, sus efectos perjudiciales pueden
neutralizarse en parte con la adición del manganeso, que
se combina con él formando sulfuro de manganeso. A veces
se adiciona en proporciones de 0.1 a 0.3 % con un contenido
mínimo de manganeso de 0.6 %, dando lugar a aceros
llamados de fácil mecanización, que tienen menor
resistencia, pero pueden ser trabajados con velocidades de corte
doble que un acero corriente.

Cobalto.

Se usa en los aceros rápidos para herramientas,
aumenta la dureza de la herramienta en caliente. Se utiliza para
aceros refractarios. Aumenta las propiedades magnéticas de
los aceros.

Cromo.

Forma carburos muy duros y comunica al mayor dureza,
resistencia y tenacidad a cualquier temperatura.
Solo o aleado con otros elementos, proporciona a los aceros
características de inoxidables y refractarios.

Manganeso.

Se utiliza fundamentalmente como desoxidante y
desulfurante de los aceros.

Molibdeno.

Junto con el carbono es el elemento más eficaz
para endurecer el acero. Evita la fragilidad.

Níquel.

Aumenta la resistencia de los aceros, aumenta la
templabilidad proporciona una gran resistencia a la
corrosión.

Plomo.

El plomo no se combina con el acero, se encuentra en
él en forma de pequeñísimos glóbulos,
como si estuviese emulsionado, lo que favorece la fácil
mecanización por arranque de viruta, (torneado, cepillado,
taladrado, etc.) ya que el plomo es un buen lubricante de corte,
el porcentaje oscila entre 0.15 y 0.30 % debiendo limitarse el
contenido de carbono a valores
inferiores al 0.5 % debido a que dificulta el templado y
disminuye la tenacidad en caliente.

Silicio.

Se emplea como desoxidante en la obtención de los
aceros, además les proporciona elasticidad. Si la
proporción es elevada (1 a 5%) los aceros tienen buenas
características magnéticas.

Tungsteno.

Forma con el hierro carburos muy complejos estables y
durísimos, soportando bien altas temperaturas. En
porcentajes del 14 al 18 %, proporciona aceros rápidos con
los que es posible triplicar la velocidad de
corte de loa aceros al carbono para herramientas.

Vanadio.

Posee una enérgica acción
desoxidante y forma carburos complejos con el hierro, que
proporcionan al acero una buena resistencia a la fatiga,
tracción  y poder cortante
en los aceros para
herramientas.     

Toda esta información es sólo la punta del
iceberg respecto a los aceros, sin embargo es más que
suficiente material de estudio para un capítulo. En la
próxima entrega, tendremos lo correspondiente
a fundiciones, ferroaleaciones, aleaciones férreas
especiales y conglomerados
 férreos.            
  

Ahora, vamos completar nuestro estudio de los
materiales metálicos férricos con los
últimos cuatro grupos.

Fundición. 

Es una aleación de hierro y de carbono, pudiendo
contener otros elementos , estando el carbono en una
proporción superior al 1. 76 % (generalmente de 2 a 5 %),
valor que
constituye el límite de saturación en la
solidificación , formándose en tal momento los
constituyentes de carburo  de hierro y grafito libre
además del hierro.

Clasificación de las fundiciones.

Las características de una fundición no
sólo dependen de su composición química,
sino también del proceso de elaboración, ambas
cosas determinan la forma de presentarse el carbono (combinado,
en forma de grafito laminar, esferoidal, etc.)

Se distinguen dos grandes grupos de fundiciones:
ordinarias, constituidas por hierro, carbono y pequeñas
impurezas y las especiales que además de lo anterior,
contienen uno o varios elementos que modifican sus
características.

Las fundiciones ordinarias se pueden clasificar por el
aspecto de su fractura distinguiéndose las cuatro
siguientes:

· Fundiciones negras

· Fundiciones grises

· Fundiciones blancas

· Fundiciones atruchadas

Fundiciones negras son aquellas que presentan facetas
negras brillantes, muy desarrolladas, formadas por cristales
de grafito, su grano grueso.

Las fundiciones grises tienen un aspecto color gris
brillante con grano fino. Estas fundiciones contienen el carbono
en estado grafítico repartido en finas laminas por entre
la masa de hierro. La fundición gris se emplea para ,la
mayoría de las piezas mecánicas que han de servir
de soporte o de alojamiento de los mecanismos.

En las fundiciones blancas, el carbono esta
completamente combinado con el hierro, formando carburo de hierro
(cementita) que es un constituyente muy duro, pero
frágil.

Fundiciones atruchadas, son intermedias entre la blanca
y la gris, poseen propiedades intermedias entre ambas fundiciones
y su fractura presenta ambos colores
característicos.

Las fundiciones no permiten operaciones de
forja.

La clasificación establecida por el Instituto del
Hierro y el Acero de las fundiciones utilizadas en al
construcción mecánica es la siguiente:
Serie F-800 Fundiciones.
Grupo F-810  Fundiciones grises.
Grupo F-830 Fundiciones maleables.
Grupo F-840 Fundiciones maleables perlíticas.
Grupo F-860 Fundiciones nodulares.
Grupo F-870 Fundiciones especiales.

Fundición maleable

Es la obtenida a partir de una fundición blanca
mediante el adecuado tratamiento térmico, adquiriendo una
aceptable maleabilidad.

Fundiciones nodulares

En estas fundiciones el grafito solidifica en forma de
pequeñas esferas, gracias a la adición de elementos
tales como el cerio y el magnesio, con lo cual aumenta
considerablemente su resistencia a la tracción.

Fundiciones especiales.

Son fundiciones especiales aleadas con otros elementos
tales como Mn, Cr, Mo, Ni, Cu, etc. Logrando propiedades
determinadas: alta resistencia a la tracción, al desgaste,
a las altas temperaturas, a la corrosión, etc.

Ferroaleaciones

Son productos siderúrgicos que, sin tener
necesariamente un marcado carácter metálico,
contiene además del hierro uno o varios elementos (metales
o metaloides) que los caracterizan.

Las ferroaleaciones encuentran su empleo en la
metalurgia
para la fabricación de aceros que han de responder a
ciertas condiciones, así:

Ferromanganesos que se utilizan en la obtención
de aceros al manganeso

Ferrocromos que se emplean en la obtención de
aceros al cromo

Ferrosilicios utilizados en la obtención de
aceros al silicio.

Ferrotungstenos sirven para la obtención de
aceros rápidos para herramientas y aceros para
imanes.

Ferrovanadios y ferromolibdenos que se emplean para la
fabricación de aceros al vanadio y al molibdeno,
respectivamente, etc.

Aleaciones Férreas
especiales.

Son las que no pertenecen a ninguno de los grupos
anteriores, pero contienen hierro como metal base.

Conglomerados férreos

Son los productos obtenidos para la unión entre
sí, de partículas de sustancias férreas con
tal coherencia que resulte una masa compacta.

A partir de la siguiente entrega comenzaremos a estudiar
lo referente a materiales metálicos no
férricos.

Bueno, ya que hemos terminado de ver las generalidades
de los materiales métalicos férricos,
aún nos queda saber lo concerniente a aquellos materiales
que no tienen relación con el hierro.

Aluminio

Es un metal de color blanco plateado, siendo su
principal característica  su ligereza que lo hace muy
útil en variadas aplicaciones. Es dúctil y
maleable, buen conductor de la electricidad y
del calor. Tiene
un peso específico de 2.7 Kg / dm3 y  funde a los 667
°C. Su resistencia a la tracción es de unos 10 Kg /
mm2  si es fundido o recocido, valor que se duplica si esta
laminado en frío (agrio);  esta resistencia decrece
rápidamente si aumenta la temperatura, así: a 300
° C su resistencia disminuye a un tercio y a 500 ° C a un
décimo de su valor en frío.

Se distinguen dos clases de aluminio: puro
(99.88 % de Al) y técnico (99 % 98 %… de Al). El primero
se emplea excepcionalmente, mientras que el aluminio
técnico encuentra mayor campo de aplicaciones.

 Aleaciones de aluminio.

Las propiedades mecánicas del aluminio mejoran
considerablemente si se alea con otros metales, tales como el
cobre,
magnesio, silicio, zinc, plomo, etc. En la norma UNE 38.001 se
establece la siguiente clasificación:

Serie L-200. Aleaciones ligeras de Al para
moldeo.

Serie L-300. Aleaciones ligeras de Al para
forja.

Serie L-400. Aleaciones ligeras de Al de alta
fusión.

Cobre

Este metal puede encontrarse en estado nativo en la
naturaleza,
principalmente formando compuestos minerales: pirita
de cobre, cobre oxidado, etc. Su obtención a partir de
estos minerales es posible a través de tres procedimientos:

· Reduciendo el óxido de cobre en hornos
apropiados, teniendo como producto el cobre
metalúrgico.

· Por medio del tratamiento con disolventes
adecuados, lo que da un cobre muy impuro al que hay que
refinar.

· Por vía electrolítica, con lo que
se obtiene un cobre muy puro.

Según su pureza, las características del
cobre varían, manteniéndose dentro de los
siguientes límites:
– Densidad
8.8-8.9
– Punto de fusión 1,0564 ° C – 1,083° C
– Resistencia a la tracción 20  45 Kg. /
mm2

Sólo se oxida superficialmente y su color rojizo
se vuelve verdoso.

El cobre es muy maleable pudiendo laminarse en hojas
hasta de 0.02 mm de espesor, también permite estirarlo en
hilos finísimos. Sus principales aplicaciones son:
fabricación de hilos, cables, láminas, en instalaciones
eléctricas, en la construcción de recipientes y
útiles diversos, además de en la fabricación
de múltiples aleaciones.

Denominación

La serie que denomina a los cobres es la C-100, siendo
los respectivos grupos los siguientes:
Grupo C-100 Cobres afinados.
Grupo C-130 Cobres exentos de oxígeno.
Grupo C-140 Cobres desoxidados.

Algunas de las aleaciones de cobre más conocidas
son el bronce, que es la aleación de cobre con
estaño y el latón que es una aleación de
cobre y zinc.

Zinc

Metal de color blanco azulado, de aspecto brillante en
el corte reciente que pronto se empaña al contacto con el
aire,
formándose una capa de superficial de hidrocarbonato
cíncico de aspecto mate, pero que servirá de
protección al resto de la masa contra una
alteración más profunda.

Su peso específico es del orden de 7.1 Kg. / dm3,
su temperatura de fusión 419 ° C.  A bajas
temperaturas e incluso a temperatura ambiente el
zinc común es bastante frágil., pero entre los 100
a 180 ° C es muy maleable, haciendo posible conformar piezas
a prensa 
incluso de perfiles complicados, por encima de los 205 ° C
vuelve  a ser frágil. La resistencia de la
tracción de los productos laminados oscila entre 14 a 25
Kg. / mm 2 según se encuentren recocidos o agrios. Es poco
tenaz. El aspecto de su fractura es cristalino grueso.

El zinc es atacado y disuelto en poco tiempo por los
ácidos
fuertes y también  por los álcalis
hirvientes.

Aplicaciones

Este metal tiene hoy  numerosas aplicaciones
industriales, solo o aleado, por ejemplo, con el cobre para
formar latón o con pequeñas proporciones de
aluminio (14 %), cobre (1 %) y aún menor cantidad de
manganeso para obtener la aleación para fundir denominada
ZAMAK. Además, es usado para recubrir y proteger contra el
óxido la chapa de hierro (metalizado y
galvanizado)

Algunas de las formas comerciales del zinc sin alear
son: chapa, tubo y  alambre, que encuentran aplicaciones en
bajadas de agua,
canalones, depósitos diversos, electrodomésticos,
etc.

Estaño

Metal mucho menos denso que el plomo, pero más
que el zinc, es dúctil y brillante, de color blanco plata.
Su estructura es
cristalina, cuando se dobla en varillas se oye un crujido
especial, llamado grito de estaño.

Tiene un peso específico de 7.29 Kg. / dm3,
siendo su temperatura de fusión 223° C. A temperaturas
inferiores a los 18 °, el estaño se vuelve
pulvurulento, y constituye la variedad alotrópica
denominada estaño gris de peso específico 5.8 Kg /
dm3, comienza la transformación por uno o varios puntos y
se propaga poco a poco a toda la pieza, lo cual se conoce como
lepra, peste o enfermedad del estaño.

El estaño es muy maleable, pudiendo ser laminado
en hojas de papel de estaño de algunas milésimas de
milímetro de espesor. No se altera en frío al aire
seco o húmedo, es atacado por los ácidos y por las
bases, por lo que hay que evitar el traslado de estos productos
en recipientes estañados de hojalata.

Aplicaciones           

El estaño se puede emplear puro en forma de papel
para la envoltura y conservación de productos
alimenticios, también se emplea en la industria
eléctrica para hacer láminas de condensadores.
Asimismo se utiliza para proteger contra el óxido la chapa
de hierro (hojalata) con que se construyen recipientes y
latería para envase de productos.

Otro aspecto de las aplicaciones del estaño es su
aleación con otros metales, principalmente con cobre (en
bronces), con plomo para obtener aleaciones de soldadura blanda y
con antimonio y cobre o antimonio y plomo para formar materiales
antifricción utilizados en cojinetes.

Plomo

Metal gris azulado, pesado, dúctil, maleable,
blando, muy fusible, en contacto con el aire se toma y
empaña con facilidad, los compuestos son muy
venenosos.

Tiene un peso específico de 11.35 Kg. / dm3 funde
a 327.4 ° C y su resistencia a tracción oscila entre
1.5 a 2 Kg. / mm2. Recién cortado presenta un brillo
metálico y su estructura es fibrosa. A pesar de que
resiste bien el HCl y el H2SO4, el HNO3, los halógenos y
el vapor de azufre lo atacan.

Aplicaciones

El estaño puro se utiliza en planchas, empleadas
en cubiertas; en recipientes resistentes a ciertos reactivos
ácidos; como elemento impermeable a la radiación;
en placas de baterías y acumuladores; como tubos para
conducción de agua; en forma de alambres, fusibles,
perdigones, postas, etc.

Como elemento de aleación participa en la
fabricación de aceros al plomo, soldaduras blandas,
metales antifricción además de bronces y latones
especiales. También encuentra aplicaciones en forma de
óxidos, para la obtención de pinturas de
protección anticorrosiva.

Magnesio

Metal de color y brillo semejantes a los de la plata, es
maleable, poco tenaz y ligero como el aluminio.

Tiene un peso específico de 1.74 Kg / dm3 y su
punto de fusión es de 650 ° C. En estado
líquido o en polvo es muy inflamable. Es inalterable en
aire seco, pero es poco resistente a la corrosión en
atmósferas
húmedas.

Aplicaciones

Suele utilizarse en la industria mecánica en
forma de aleaciones existiendo aleaciones de magnesio para forja,
compuestas por magnesio y un  1 o 2 % de manganeso (Magmanz)
o compuesta por 8 o 9 % de aluminio de un  1 % de zinc y un
0.2 % de manganeso y el resto de magnesio (magal), esta
última tiene mayor resistencia a la tracción que la
primera, pero tiene el inconveniente de no ser
soldable.

Las aleaciones de magnesio debido a su ligereza ( nunca
sobrepasan 1.8 Kg./dm3) son muy utilizadas en la industria
aeronáutica.

En nuestro próximo capítulo trataremos
brevemente lo  concerniente a  los diagramas de
fase

Oscar Emiro Arenas Subero