CAPITULO 6 METALES (1) PDF

METALES CAP 6 1ER PARTE ALEACIONES Y DIAGRAMAS DE FASE 2DA PARTE METALES FERROSOS 3ER PARTE CLASIFICACIÓN DEL ACERO Y HIERROS COLADOS. 4TA PARTE METALES NO FERROSOS 5TA PARTE METALES REFRACTARIOS METALES PRECIOSOS SUPERALECIONES...

METALES CAP 6 1ER PARTE ALEACIONES Y DIAGRAMAS DE FASE 2DA PARTE METALES FERROSOS 3ER PARTE CLASIFICACIÓN DEL ACERO Y HIERROS COLADOS. 4TA PARTE METALES NO FERROSOS 5TA PARTE METALES REFRACTARIOS METALES PRECIOSOS SUPERALECIONES  Ing. César García Teruel  1ER PARTE ALEACIONES Y DIAGRAMAS DE FASE Ing. César García Teruel Los metales son los materiales más importantes de la ingeniería y el tema de este capítulo. Un metal es una categoría de materiales que se caracterizan generalmente por tener propiedades de ductilidad, maleabilidad, lustre y conductividad eléctrica y térmica elevadas. La categoría incluye tanto a elementos metálicos como a sus aleaciones.  La importancia tecnológica y comercial de los metales se debe a las propiedades generales siguientes:  Rigidez y resistencia elevadas. Los metales pueden alearse para darles rigidez, resistencia y dureza elevadas; se les utiliza para que proporcionen el marco estructural para la mayor parte de productos de la ingeniería.  Tenacidad. Los metales tienen la capacidad de absorber energía mejor que otras clases de materiales.  Conductividad eléctrica buena. Los metales son conductores debido a su enlace metálico, que permite el movimiento libre de los electrones como transportadores de carga.  Conductividad térmica buena. Los enlaces metálicos también explican el porqué los metales generalmente conducen el calor mejor que los cerámicos y los polímeros. Los metales se convierten en piezas y productos que conllevan La forma inicial de los metales difiere, lo que depende del proceso. una variedad de procesos de manufactura. Las categorías principales son: metal fundido metal forjado metal pulverizado. Los metales se clasifican en dos grupos principales:  ferrosos, los que se basan en el hierro, y no ferrosos, todos los demás. El grupo de los ferrosos puede subdividirse en aceros y tipos de hierro colado.  ALEACIONES Y DIAGRAMAS DE FASE  Aunque ciertos metales son importantes como metales puros (por ejemplo, oro, plata, cobre),la mayor parte de las aplicaciones de ingeniería requiere de las propiedades mejoradas que se obtienen con la aleación.  Con ésta es posible mejorar la resistencia, dureza y otras propiedades, en comparación con las de los metales puros. Una aleación es un metal compuesto de dos o más elementos, al menos uno de los cuales es metálico. Las dos categorías principales de aleaciones son  soluciones sólidas, y  Fases intermedias.  Soluciones sólidas Una solución sólida es una aleación en la que un elemento se disuelve en otro para formar una estructura de fase única.  El término fase describe una masa homogénea de material, como la de un metal en el que todos los granos tienen la misma estructura reticular cristalina.  En una solución sólida, el solvente o elemento base es metálico, y el elemento disuelto puede ser metálico o no metálico. La primera es una solución sólida sustitucional, en la El latón (Brass) es un que los átomos del ejemplo de esto, en el elemento solvente son que el zinc está remplazados en su disuelto en cobre. celda unitaria por el elemento disuelto. el radio atómico de los dos elementos debe ser similar, por lo general dentro de un 15%;  Sus tipos de retículas deben ser las mismas; si los elementos tienen valencias diferentes, es más probable que el metal de valencia menor sea el solvente; y si los elementos tienen afinidad química elevada uno por el otro, es menos probable que formen una solución sólida y más que constituyan un compuesto.  El segundo tipo de solución sólida es la solución sólida intersticial, en la que los átomos del elemento solvente se acomodan en los espacios vacíos entre los átomos del metal base, en la estructura reticular.  Se desprende que los átomos que quedan en esos intersticios deben ser pequeños en comparación con los del metal solvente.  El ejemplo más importante de este segundo tipo de aleación es el carbono disuelto en hierro para formar acero.  En ambas formas de la solución sólida, por lo general la estructura aleada es más fuerte y dura que cualesquiera de los elementos que la componen.  Fases intermedias Por lo general hay límites a la solubilidad de un elemento en otro.  Cuando la cantidad del elemento solvente en la aleación excede el límite de solubilidad sólida del metal base, en la aleación se forma una segunda fase.  Para describirla se emplea el término fase intermedia debido a que su composición química es intermedia entre los dos elementos puros.  Su estructura cristalina también es diferente de aquella de los metales puros.  En función de la composición, y con el reconocimiento de que muchas aleaciones consisten en más de dos elementos, dichas fases intermedias pueden ser de varios tipos,incluyendo: compuestos metálicos que consisten en un metal y un no metal, como el Fe3C(carburo de hierro);y compuestos intermetálicos, dos metales que forman un compuesto, como el Mg2Pb. (Plomuro de magnesio) Estas aleaciones de dos fases son importantes porque pueden formularse y ser tratadas térmicamente para darles una resistencia significativamente más elevada que la de las soluciones sólidas.  DIAGRAMAS DE FASE  ▶ El término diagrama de fase es un medio gráfico de representar las fases de un sistema de aleación metálica como una función de la composición y la temperatura. El análisis del diagrama se limitará a sistemas de aleaciones que consisten en dos elementos a presiones atmosféricas. Este tipo de diagrama se denomina diagrama de fase binaria. El sistema de aleación cobre-níquel En la figura se ilustra uno de los casos más sencillos, el sistema de la aleación Cu-Ni. En el eje horizontal se grafica la composición, y en el vertical la temperatura.  Así, cualquier punto del diagrama indica la composición conjunta y la fase o fases presentes a la temperatura dada. El cobre puro se funde a 1 083 ºC (1 981 ºF), y el níquel puro a 1 455 ºC (2 651 ºF). Las composiciones de la aleación entre estos extremos muestran fusión gradual que comienza en el solidus y en el liquidus conforme la temperatura se incrementa. El sistema cobre-níquel es una aleación de solución sólida a través de todo el rango de composiciones.  Ahora se ve en el diagrama de fase que esas temperaturas varían con la composición. Entre el solidus y el liquidus, el metal es una mezcla sólida-líquida. En la práctica, cuando una aleación se solidifica (por ejemplo, en una fundición),en la masa sólida ocurre una segregación debido a condiciones de no equilibrio. El primer líquido que se solidifica tiene una composición rica en el elemento metálico con el punto de fusión más alto. El sistema de la aleación estaño-plomo Un diagrama de fase más complicado es el del sistema Sn-Pb. Las aleaciones estaño-plomo se utilizan mucho como material de soldadura de conexiones eléctricas.  Otra característica de interés en el sistema estaño- plomo es la manera en que difiere la fusión para composiciones diferentes. El estaño puro se funde a 232 ºC (449 ºF), y el plomo puro a 327 ºC (621 ºF). Las aleaciones de estos elementos se funden a temperaturas más bajas. ALEACIÓN EUTÉCTICA  En general, una aleación eutéctica es una composición particular en un sistema de aleación para la que el solidus y liquidus están a la misma temperatura.  La temperatura eutéctica correspondiente, el punto de fusión de la composición eutéctica, es de 183 ºC (362 ºF), en este caso.  La temperatura eutéctica siempre es el punto de fusión más bajo para un sistema de aleación (el término eutéctico se deriva de la palabra griega eutektos, que significa que se funde con facilidad).  2DA PARTE METALES FERROSOS Ing. César García Teruel  METALES FERROSOS Los metales ferrosos se basan en el hierro, uno de los metales más antiguamente conocidos por el hombre. Los metales ferrosos de importancia en la ingeniería son aleaciones de hierro y carbono. Se dividen en dos grupos principales: acero y hierro fundido. En la figura se presenta el diagrama de fase del hierro- carbono. El hierro puro se funde a 1 539 ºC (2 802 ºF). Durante la elevación de la temperatura a partir de la del ambiente, pasa por varias transformaciones de fase sólida, como se aprecia en el diagrama.  FASES DEL ACERO Al comenzar a temperatura ambiente la fase es alfa (a), también llamada ferrita. A 912 ºC (1 674 ºF), la ferrita se transforma en gama (g), denominada austenita. Ésta, a su vez, se convierte en delta (d) a 1 394 ºC (2 541 °F), en la que permanece hasta que se funde. Las tres fases son distintas; la alfa y delta tienen estructuras reticulares BCC y entre ellas está la gama con FCC. DIAGRAMA DE FASE HIERRO-CARBONO  SOLUBILIDAD DEL CARBONO EN EL HIERRO  Los límites de solubilidad del carbono en el hierro son bajos en la fase de ferrita, sólo cerca de 0.022% a 723 ºC (1 333 ºF).  En la de austenitapuede disolverse cerca de 2.1% de carbono a una temperatura de 1 130 ºC (2 066 ºF).  Esta diferencia de solubilidades entrela alfa y la gama origina oportunidades para dar resistencia por medio de tratamiento térmico, pero eso se deja para más adelante.  Aun sin tratamiento térmico, la resistencia del hierro se incrementa en forma notable conforme el contenido de carbono aumenta, y se ingresa a la región en la que el metal toma el nombre de acero.  El hierro, como producto comercial, se encuentra disponible con varios niveles de pureza.  El hierro electrolítico es el más puro, con cerca de 99.99%, se usa en investigación y otros propósitos en los que se requiere al metal puro.  El hierro de lingote contiene alrededor de 0.1% de impurezas (inclusive cerca de 0.01% de carbono), y se usa en aplicaciones en las que se necesitan ductilidad o resistencia a la corrosión elevadas.  El hierro forjado contiene un 3% de escoria pero muy poco carbono, y se le da forma con facilidad en operaciones de formado en caliente, como la forja.  Con más precisión, el acero se define como una aleación de hierro-carbono que contiene entre 0.02% y 2.1% de carbono; por supuesto, los aceros también pueden contener otros elementos de aleación. El contenido de carbono de los aceros varía entre esos niveles bajos y cerca de 2.1%. Por arriba de 2.1% de C y hasta 4% o 5%, la aleación se define como hierro colado.  Con 4.3% de carbono, en el diagrama se observa una composición eutéctica. Existe una característica similar en la región sólida del diagrama con 0.77% de carbón y 723 ºC (1 333 ºF). Ésta se denomina composición eutectoide. Los aceros por debajo de este nivel de carbono se conocen como aceros hipoeutectoides, y por arriba de ese nivel, de 0.77% a 2.1%, se les llama aceros hipereutectoides.  Además de las fases mencionadas, otra fase es notable en el sistema de la aleación hierro- carbono. Ésta es la del Fe3C, también llamada de cementita, que es una fase intermedia: un compuesto metálico de hierro y carbono que es duro y frágil. PRODUCCIÓN DEL HIERRO Y EL ACERO Este estudio de la producción de hierro y acero comienza: a)con los yacimientos de mineral de hierro y otras materias primas que se requieren. b)Después se estudia la producción de hierro, en la que éste se reduce de los minerales, y d)la fabricación de acero, en la que se refina para obtener la pureza y composición (aleación) que se desean. e)Luego se consideran los procesos de fundición que se efectúan en la acería.  YACIMIENTOS DE HIERRO Y OTRAS MATERIAS PRIMAS El mineral principal que se usa para producir hierro y acero es la hematita (Fe2O3).  Otros minerales de hierro son la  magnetita (Fe3O4),  siderita (FeCO3) y la limonita (Fe2O3-xH2O) donde el valor de x es de alrededor de 1.5). Los yacimientos de hierro contienen de 50% a alrededor de 70% de hierro, en función de su ley** (la hematita contiene casi 70% de hierro).  Además, hoy día se utilizan mucho los desechos de hierro y acero para producir hierro y acero. Otras materias primas necesarias para reducir hierro de las menas son el coque y la roca caliza. El coque es un combustible de carbono alto que se produce por medio de calentar durante varias horas carbón bituminoso en una atmósfera escasa en oxígeno, para luego rociarle agua en torres de enfriamiento especiales.  El coque desempeña dos funciones en el proceso de reducción: 1)es un combustible que suministra el calor para las reacciones químicas, y 2)produce monóxido de carbono (CO) para reducir el mineral de hierro. La caliza es una roca que contiene proporciones grandes de carbonato de calcio (CaCO3). La caliza se utiliza en el proceso como fundente con el cual reaccionar y retirar las impurezas tales como escoria del hierro fundido.  FABRICACIÓN DEL HIERRO Para producir hierro, se coloca una carga de mineral, coque y caliza en la parte superior de un alto horno. Un alto horno es una cámara refractaria recta con diámetro de 9 a 11 m (30 a 35 ft) en su parte más ancha, y altura de 40 m (125 ft), en el que se fuerzan gases calientes dentro de la parte baja de la cámara a tasas elevadas para llevar a cabo la combustión y reducción del hierro.  La carga desciende con lentitud desde la parte superior del horno hacia su base y se calienta a temperaturas de alrededor de 1 650 ºC (3 000 ºF). La combustión del coque se lleva a cabo con gases calientes (CO, H2, CO2, H2O,N2, O2 y combustibles) que pasan hacia arriba a través de las capas de la carga de material. El gas CO tiene un efecto reductor en el mineral de hierro; la reacción (se usa hematita como el mineral de inicio): Fe2O3 + CO → 2FeO + CO2  El dióxido de carbono reacciona con el coque para formar monóxido de carbono: CO2 + C(coque) → 2CO que entonces realiza la reducción final del FeO a hierro: FeO + CO → Fe + CO2  El hierro fundido gotea y se colecta en la base del alto horno. Éste se lleva periódicamente a carros tanque para hierro fundido a fin de transferirlo a las operaciones siguientes de fabricación de acero.  El papel que juega la caliza se resume como sigue. En primer lugar, la caliza se reduce a cal (CaO) por calentamiento, así: CaCO3 → CaO + CO2 La cal se combina con impurezas tales como sílice (SiO2), azufre, (S) y alúmina (Al2O3) en reacciones que producen una escoria fundida que flota sobre el hierro.  Es instructivo notar que se requieren aproximadamente siete toneladas de materias primas para producir una tonelada de hierro. Las proporciones de los ingredientes son las siguientes: 2.0 ton de mineral de hierro, 1.0 ton de coque, 0.5 ton de caliza, y (aquí la estadística es sorprendente) 3.5 ton de gases.  Una proporción significativa de los subproductos se recicla. El hierro colectado en la base del alto horno llamado hierro de primera fundición (arrabio) contiene más del 4% de C, más otras impurezas: 0.3%−1.3% de Si, 0.5−2.0% de Mn, 0.1−1.0% de P, y 0.02−0.08% de S.  Se requiere más refinación del metal para obtener tanto hierro fundido como acero. Para convertir el arrabio en hierro fundido gris es común emplear un horno llamado cubilote. Para el acero, las composiciones deben controlarse estrechamente y las impurezas llevarse a niveles mucho más bajos.  FABRICACIÓN DEL ACERO Desde la mitad del siglo XIX, se han inventado cierto número de procesos para refinar hierro de primera fundición y obtener acero. Hoy día, los dos más importantes son: a)el horno de oxígeno básico (BOF) y b)el eléctrico. Ambos se emplean para producir aceros al carbono y aleados.  EL HORNO DE OXIGENO BÁSICO Produce alrededor del 70% del acero de Estados Unidos. El BOF es una adaptación del convertidor Bessemer. Mientras que el proceso Bessemer utiliza aire que pasa a través del arrabio fundido para quemar las impurezas, el proceso de oxígeno básico utiliza oxígeno puro.  En la figura 6.8 se muestra la secuencia para fabricar acero en un BOF. En las plantas siderúrgicas integradas se transfiere el arrabio desde el alto horno al BOF en carros de ferrocarril llamados carros cuchara de hierro caliente. En la práctica moderna, al hierro fundido se agrega chatarra de acero por cerca del 30% de una carga normal del BOF. También se agrega cal (CaO).  Se sopla O2 a alta velocidad desde la lanceta, lo que provoca combustión y calentamiento en la superficie del recipiente del metal fundido. El carbono disuelto en el hierro y otras impurezas tales como silicio, manganeso y fósforo se oxidan. Las reacciones son 2C + O2 → 2CO (también se produce CO2) (6.5a) Si + O2 → SiO2 (6.5b) 2Mn + O2 → 2MnO (6.5c) 4P + 5O2 → 2P2O5 (6.5d)  HORNO DE ARCO ELÉCTRICO El horno de arco eléctrico produce alrededor del 30% del acero de Estados Unidos. Aunque originalmente se usaba arrabio como la carga para este tipo de horno, hoy día las materias primas principales son chatarra de hierro y de acero. Los hornos de arco eléctrico se encuentran disponibles en varios diseños; el tipo de arco directo que se muestra en la figura 6.9  En el horno se carga chatarra de hierro y de acero seleccionadas por sus composiciones, junto con ingredientes de aleación y caliza (fundente), y se calientan por medio de un arco eléctrico que va de grandes electrodos a la carga de metal. La fundición total requiere cerca de 2 horas;el tiempo de introducción a extracción es de 4 horas. Es común que las capacidades de los hornos eléctricos varíen entre 25 y 100 toneladas por colada.  Los hornos de arco eléctrico destacan por la mejor calidad del acero pero su costo por tonelada producida es mayor, en comparación con el del BOF. Por lo general, el horno de arco eléctrico se asocia con la producción de aceros de aleación, aceros para herramientas y aceros inoxidables.  FUNDICIÓN DE LINGOTES Fundición de lingotes Los aceros producidos por hornos BOF o eléctricos se solidifican para procesarlos posteriormente, ya sea como lingotes fundidos o por fundición continua. Los lingotes de acero son fundiciones discretas y grandes que pesan menos desde 1 ton hasta 300 ton (el peso de la colada total).  FUNDICIÓN CONTINUA El proceso de fundición continua, también llamado fundición de filamento, se ilustra en la figura 6.11. El acero fundido se vierte desde un recipiente hacia un contenedor temporal llamado cacerola, que dosifica el metal hacia uno o más moldes de fundición continua. El acero comienza a solidificarse en las regiones exteriores conforme viaja hacia abajo a través del molde enfriado por agua. Un rocío de agua acelera el proceso de enfriamiento.  3ER PARTE CLASIFICACIÓN DE LOS ACEROS Y HIERROS COLADOS Ing. César García Teruel  LOS ACEROS El acero es una aleación de hierro que tiene un contenido de carbono que varía entre 0.02% y 2.11%. Es frecuente que también incluya otros ingredientes de aleación: manganeso, cromo, níquel y molibdeno; pero es el contenido de carbono lo que convierte al hierro en acero. Aquí, para propósitos de organización se agrupan en las categorías siguientes: 1) aceros al carbón simples, 2) aceros bajos de aleación, 3) aceros inoxidables y 4) aceros para herramientas.  ACEROS AL CARBONO Estos aceros contienen carbono como elemento principal de la aleación, y sólo pequeñas cantidades de otros elementos (lo normal es alrededor de 0.5% de manganeso). La resistencia de los aceros simples al carbono se incrementa con el contenido de éste.  De acuerdo con un esquema de nomenclatura creado por el American Iron and Steel Institute (AISI) y la Society of Automotive Engineers (SAE), los aceros simples al carbono se especifican por medio de un sistema numérico de cuatro dígitos: 10XX, donde el 10 indica que el acero es al carbono simple, y XX señala el porcentaje de carbono en centésimas de puntos porcentuales. Por ejemplo, un acero 1020 contiene 0.20% de C. Metalografía pieza recocida Metalografía pieza templada  Gráfica Esfuerzo-deformación 180 Recocido Total Temple en Agua Deformacion 160 80 140 70 120 60 100 50 80 40 60 30 40 20 10 20 0 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 5 1D0eformacion 15 20 0  Es común que los aceros simples al carbono se clasifiquen en tres grupos, de acuerdo con su contenido de carbono: Aceros al bajo carbono. Contienen menos del 0.20% de C y son por mucho los más utilizados. Las aplicaciones normales son en las piezas automotrices de lámina, placa de acero para la fabricación y vías férreas.  Aceros al medio carbono. Su contenido de carbono varía entre 0.20% y 0.50%, y se especifican para aplicaciones que requieren una resistencia mayor que las de los aceros al bajo carbono. Las aplicaciones incluyen componentes de maquinaria y piezas de motores tales como cigüeñales y rodillos de transmisión.  Aceros al alto carbono. Contienen carbono en cantidades superiores a 0.50% y se especifican para aplicaciones que necesitan resistencias aún mayores y también rigidez y dureza. Algunos ejemplos son resortes, herramientas y hojas de corte y piezas resistentes al desgaste.  ACEROS DE BAJA ALEACIÓN Aceros de baja aleación Son aleaciones de hierro−carbono que contienen elementos adicionales en cantidades que totalizan menos de 5% del peso. Debido a estas adiciones, los aceros de baja aleación tienen propiedades mecánicas superiores a las de los simples al carbono para aplicaciones dadas.  Las propiedades superiores por lo general significan más resistencia, dureza, dureza en caliente, resistencia al desgaste, tenacidad y combinaciones más deseables de éstas. Es frecuente que se requiera tratamiento térmico para lograr propiedades mejoradas.  Los elementos comunes de aleación que se agregan al acero son cromo, manganeso, molibdeno, níquel y vanadio, a veces en forma individual pero por lo general en combinaciones. Es frecuente que estos elementos formen soluciones sólidas con hierro y compuestos metálicos con carbono (carburos), lo que supone que hay suficiente carbono presente para efectuar la reacción.  El cromo (Cr) mejora la resistencia, dureza, resistencia al desgaste y dureza en caliente. Es uno de los ingredientes de aleación más eficaces para incrementar la templabilidad. En proporciones significativas, el Cr mejora la resistencia a la corrosión. El manganeso (Mn) mejora la resistencia y dureza del acero. Cuando éste se encuentra caliente, la templabilidad mejora con el aumento de manganeso. Debido a estos beneficios, el manganeso es un ingrediente que se usa mucho en las aleaciones de acero.  El molibdeno (Mo) incrementa la tenacidad y dureza en caliente. También mejora la templabilidad y forma carburos que dan resistencia al desgaste. El níquel (Ni) mejora la resistencia y la tenacidad. Incrementa la dureza pero no tanto como los otros elementos de las aleaciones del acero. En cantidades significativas mejora la resistencia a la corrosión y es el otro ingrediente principal (además del cromo) de ciertos tipos de acero inoxidable.  El vanadio (V) inhibe el crecimiento de granos durante el procesamiento a temperaturas elevadas, lo cual mejora la resistencia y tenacidad del acero. También forma carburos que incrementan la resistencia al desgaste. Los aceros de baja aleación no sueldan con facilidad, en especial con niveles de carbono medios y altos.  Desde la década de 1960 la investigación ha estado dirigida al desarrollo de aceros al bajo carbono y baja aleación, que tengan razones mejores de resistencia/peso que los aceros al carbono simples, pero que suelden mejor que los de baja aleación. Los productos creados a partir de esos trabajos son los aceros de alta resistencia y baja aleación (HSLA).  ACEROS INOXIDABLES Los aceros inoxidables constituyen un grupo de aceros altamente aleados diseñados para proporcionar gran resistencia a la corrosión. El elemento principal de la aleación del acero inoxidable es el cromo, por lo general arriba del 15%.  El cromo de la aleación forma una película de óxido impermeable, delgada, que en una atmósfera oxidante protege a la superficie de la corrosión. El níquel es otro ingrediente de aleación que se emplea en ciertos aceros inoxidables para incrementar la protección contra la corrosión.  El carbono se utiliza para dar resistencia y endurecer el metal; sin embargo, el contenido creciente de carbono tiene el efecto de reducir la protección contra la corrosión debido a que el carburo de cromo se forma para reducir la cantidad de Cr disponible en la aleación. Además de la resistencia a la corrosión, los aceros inoxidables se destacan por su combinación de resistencia y ductilidad.  Aunque estas propiedades son deseables en muchas aplicaciones, por lo general hacen a dichas aleaciones difíciles de trabajar en la manufactura. Asimismo, los aceros inoxidables son significativamente más caros que los aceros al carbono o los de baja aleación.  Inoxidables austeníticos. Su composición normal es de alrededor de 18% de Cr y 8% de Ni, y son los más resistentes a la corrosión de los tres grupos. Debido a esa composición, a veces se les identifica como inoxidables 18-8. No son magnéticos y son muy dúctiles, pero muestran un endurecimiento por trabajo significativo.  El níquel tiene el efecto de agrandar la región austenítica en el diagrama de fase de hierro- carbono, lo que los hace estables a temperatura ambiente. Los aceros inoxidables austeníticos se emplean para fabricar equipo de procesamiento químico y de alimentos, así como piezas de maquinaria que requieren alta resistencia a la corrosión.  Inoxidables ferríticos. Contienen de 15% a 20% de cromo, poco carbono y nada de níquel. Esto produce una fase de ferrita a temperatura ambiente. Los aceros inoxidables ferríticos son magnéticos y menos dúctiles y resistentes a la corrosión que los austeníticos. Las piezas fabricadas con ellos van desde utensilios de cocina hasta componentes de motores a reacción.  Inoxidables martensíticos. Tienen un contenido de carbono más elevado que los ferríticos,lo que permite que se les dé resistencia por medio de tratamiento térmico. Tienen hasta 18% de Cr pero nada de Ni. Son fuertes, duros y resistentes a la fatiga, pero por lo general no tan resistentes a la corrosión como los de los otros dos grupos. Los productos más comunes incluyen instrumentos de corte y quirúrgicos.  Los aceros inoxidables tradicionales se crearon a principios del siglo XX. Desde entonces,se han creado varias aleaciones de acero que tienen buena resistencia a la corrosión y otras propiedades deseables. Aceros inoxidables de precipitación. Tienen una composición química típica de 17% de Cr y 7% de Ni, con cantidades pequeñas adicionales de elementos de aleación tales como aluminio, cobre, titanio y molibdeno. La característica que los distingue del resto de los inoxidables es que pueden fortalecerse por medio de endurecimiento por precipitación.  Inoxidables dúplex. Poseen una estructura que es una mezcla de austenita y ferrita en cantidades aproximadamente iguales. Su resistencia a la corrosión es similar a los grados austeníticos y muestran resistencia mejorada al agrietamiento por esfuerzo-corrosión. Las aplicaciones incluyen intercambiadores de calor, bombas y plantas de tratamiento de aguas residuales.  ACEROS PARA HERRAMIENTAS Los aceros para herramientas son una clase (por lo general)altamente aleada diseñada para su uso en herramientas de corte industriales, troqueles y moldes. Para desempeñarse en esas aplicaciones deben poseer resistencia elevada, dureza,dureza en caliente, resistencia al desgaste y tenacidad a los impactos. Las razones principales para los niveles altos de elementos de aleación son: 1)dureza mejorada, 2) distorsión reducida durante el tratamiento con calor, 3) dureza en caliente, 4) formación de carburos metálicos duros para que sean resistentes a la abrasión, y 5) tenacidad mejorada.  Los aceros para herramientas se dividen en tipos de acuerdo con la aplicación y composición. La AISI utiliza un esquema de clasificación que incluye un prefijo de una letra para identificar el acero para herramienta. En la lista de la tabla 6.5 que sigue, se mencionan esos tipos de acero, se identifica el prefijo y se presentan algunas composiciones comunes.  (T,M)Aceros para herramientas de alta velocidad. Se usan como herramientas de corte en procesos de maquinado.Se formulan para que tengan gran resistencia al desgaste y dureza en caliente. Los aceros de alta velocidad originales (HSS) se crearon alrededor de 1900. Permitieron incrementos muy grandes en la velocidad de corte en comparación con herramientas que se usaban con anterioridad; de ahí su nombre.  (H) Aceros de herramientas para trabajos en caliente. Están pensados para usarse con troqueles de trabajos en caliente para forjado, extrusión y moldes para fundición. (D) Aceros de herramientas para trabajos en frío. Son aceros para troqueles que se emplean en operaciones de trabajo en frío, tales como moldear láminas metálicas, extrusión en frío y ciertas operaciones de forja.  (W) Aceros para herramienta de endurecimiento por agua. Tienen contenido elevado de carbono con poco o nada de otros elementos de aleación. Sólo pueden endurecerse por enfriamiento por inmersión rápido en agua. (S) Aceros de herramientas resistentes a los golpes. Están hechos para usarse en aplicaciones en las que se requiere mucha tenacidad, como en muchos cortes de lámina metálica, punzonado y operaciones de doblado.  (P) Aceros para moldes. Se utilizan para fabricar moldes para plásticos y caucho. (L) Aceros para herramientas de baja aleación. Por lo general se reservan para aplicaciones especiales. HIERROS COLADOS (CAST IRON) El hierro colado es una aleación de hierro que contiene de 2.1% a 4% de carbono, y de 1% a 3% de silicio.  Hierro colado gris Éste tiene el tonelaje mayor entre los hierros colados. Tiene una composición que va de 2.5% a 4% de carbono y de 1% a 3% de silicio. Esta química da como resultado la formación de escamas de grafito (carbono) distribuidas en todo el cuerpo fundido hasta que se solidifica.  La dispersión de las escamas de grafito es responsable de dos propiedades atractivas: 1)buen amortiguamiento a la vibración, que es deseable en los motores y otra clase de maquinaria, y 2)cualidades de lubricación interna, lo que hace maquinable al metal fundido.  Hierro dúctil Este es un hierro con la composición del gris en el que el metal fundido recibe tratamiento químico antes de vaciarlo para ocasionar la formación de esferoides de grafito en lugar de escamas. Esto da como resultado un hierro más dúctil y fuerte, de ahí su nombre. Las aplicaciones incluyen componentes de maquinaria que requieren resistencia elevada y buena resistencia al desgaste.  Hierro colado blanco Este hierro colado tiene menos carbono y silicio que el gris. Se forma por un enfriamiento más rápido del metal fundido después del vertido, lo que hace que el carbono permanezca en combinación química con el hierro en forma de cementita (Fe3C), en vez de precipitarse de la solución en forma de escamas. Debido a la cementita, el hierro fundido blanco es duro y frágil, y su resistencia al desgaste es excelente.  Hierro maleable Cuando las piezas fundidas de hierro colado blanco se tratan térmicamente para separar el carbono de la solución y formar agregados de grafito, el metal que resulta se llama hierro maleable. La microestructura nueva posee ductilidad sustancial (hasta 20% de elongación), una diferencia significativa con el metal a partir del cual se transformó.  Hierros de aleaciones fundidas Los hierros colados pueden estar aleados para buscar propiedades y aplicaciones especiales. Estas aleaciones de hierro colado se clasifican como sigue: 1) tipos tratables térmicamente que pueden endurecerse por medio de la formación de martensita; 2)tipos resistentes a la corrosión, cuyos elementos de aleación incluyen níquel y cromo, y 3)tipos resistentes al calor que contienen proporciones elevadas de níquel para tener dureza en caliente y resistencia a la oxidación por alta temperatura.  4TA PARTE METALES NO FERROSOS Ing. César García Teruel METALES NO FERROSOS Los metales no ferrosos incluyen elementos y aleaciones metálicas que no se basan en el hierro. Los metales más importantes de la ingeniería en el grupo de los no ferrosos son el aluminio, el cobre, el magnesio, el níquel, el titanio y el zinc, así como sus aleaciones.  Aunque los metales no ferrosos como grupo no igualan la resistencia de los aceros, ciertas aleaciones no ferrosas tienen resistencia a la corrosión o relaciones resistencia/peso que las hacen competitivas ante los aceros para aplicaciones con esfuerzos moderados a altos. Además, muchos de los metales no ferrosos tienen propiedades adicionales a las mecánicas que los hacen ideales para aplicaciones en las que el acero sería inapropiado.  Por ejemplo, el cobre tiene una de las resistividades más bajas entre los metales, y se usa ampliamente para fabricar conductores eléctricos. El aluminio es un conductor térmico excelente, y sus aplicaciones incluyen intercambiadores de calor y trastos de cocina. También es uno de los metales a los que se le da forma con mayor facilidad y por esa razón se le valora mucho. El zinc tiene un punto de fusión relativamente bajo, por lo que se le utiliza de manera amplia en las operaciones de fundición a troquel. ALUMINIO Y SUS ALEACIONES El aluminio y el magnesio son metales ligeros y por esta característica es frecuente que se les especifique en aplicaciones de ingeniería. Ambos elementos abundan en nuestro planeta, el aluminio en la tierra y el magnesio en el mar, aunque ninguno se extrae con facilidad de su estado natural.  PRODUCCIÓN DEL ALUMINIO El mineral principal de aluminio es la bauxita, que consiste por mucho en óxido de aluminio hidratado (Al2O3-H2O) y otros óxidos. La extracción del aluminio a partir de la bauxita se resume en tres pasos: 1)lavado y trituración del mineral para obtener polvos finos; 2)proceso Bayer, en el que la bauxita se convierte en alúmina pura (Al2O3); y 3)electrólisis, en el que la alúmina se separa en aluminio y oxígeno gaseoso (O2).  El proceso Bayer, llamado así en honor del químico alemán que lo creó, involucra una solución de polvo de bauxita en sosa cáustica acuosa (NaOH) a presión, seguida de precipitación de Al2O3 puro de la solución. La alúmina es importante en el comercio por sí misma, como material cerámico de uso en la ingeniería.  La electrólisis para separar el Al2O3 en sus elementos constitutivos requiere de disolver el precipitado en un baño de fundición de criolita (Na3AlF6) y sujetar la solución a una corriente directa entre las placas de un horno electrolítico. El electrólito se disocia para formar aluminio en el cátodo y oxígeno gaseoso en el ánodo.  El aluminio tiene mucha conductividad eléctrica y térmica, y su resistencia a la corrosión es excelente debido a la formación de una película superficial de óxido, delgada y dura. Es un metal muy dúctil y es notable la capacidad que tiene para adquirir la forma deseada. El aluminio puro tiene resistencia relativamente baja, pero se puede alear y tratar térmicamente para competir con ciertos aceros, en especial cuando el peso es una consideración importante.  MAGNESIO Y SUS ALEACIONES El magnesio (Mg) es el más ligero de los metales estructurales. El magnesio y sus aleaciones se encuentran disponibles tanto en forma forjada como fundida. Es relativamente fácil de maquinar. Sin embargo, en todo procesamiento del magnesio, las partículas pequeñas del metal (tales como astillas metálicas pequeñas procedentes del corte) se oxidan con rapidez, por lo que debe tenerse cuidado para evitar el peligro de incendio.  PRODUCCIÓN DEL MAGNESIO El agua de mar contiene alrededor de 0.13% de MgCl2 y es la fuente de la mayor parte del magnesio que se produce en forma comercial. Para extraerlo, se mezcla una cantidad de agua marina con una lechada de cal, es decir, hidróxido de calcio (Ca(OH)2). La reacción resultante precipita el hidróxido de magnesio (Mg(OH)2) que se asienta y se retira como pasta aguada.  Después, se filtra esta pasta aguada a fin de incrementar el contenido de Mg(OH)2 para luego mezclarlo con ácido clorhídrico (HCl), que reacciona con el hidróxido para formar un concentrado de MgCl2, mucho más concentrado que el del agua marina original. Se utiliza electrólisis para descomponer la sal en magnesio (Mg) y cloro gaseoso (Cl2). Después se funde el magnesio en lingotes para su procesamiento posterior. El cloro se recicla para formar más MgCl2.  Como metal puro, el magnesio es relativamente suave y carece de la resistencia suficiente para la mayor parte de las aplicaciones de la ingeniería. Sin embargo, se puede alear y tratar térmicamente para que alcance resistencias comparables a las de las aleaciones del aluminio. En particular, su relación resistencia-peso es una ventaja en los aviones y componentes de misiles.  EL COBRE En los tiempos antiguos, el cobre existía en la naturaleza como elemento libre. Hoy día, esos depósitos naturales son más difíciles de encontrar y el metal se extrae de minerales que en su mayoría son sulfuros, como la calcopirita (CuFeS2). El mineral se tritura (véase la sección 17.1.1), se concentra por flotación y después se aparta (se derrite o funde, con frecuencia con una reacción química para separar el metal del mineral). El cobre resultante se denomina cobre ampollado, que tiene una pureza de 98% y 99%.  PROPIEDADES DEL COBRE El cobre puro tiene un color rojizo o rosa distintivo, pero su propiedad de ingeniería más notable es su resistividad eléctrica baja, uno de los elementos con la más baja. Debido a esta propiedad, y a su abundancia relativa en la naturaleza, el cobre puro comercial se usa mucho como conductor eléctrico.  (aquí se debe decir que la conductividad del cobre disminuye de manera significativa si se agregan elementos de aleación). El Cu también es un conductor térmico excelente. El cobre es uno de los metales nobles (el oro y la plata también lo son), por lo que es resistente a la corrosión.  El bronce es una aleación de cobre y estaño (es común el 90% de Cu y 10% de Sn), que hoy se usa todavía a pesar de su antigüedad. Se han desarrollado aleaciones de bronce adicionales, con base en otros elementos distintos del estaño; entre éstos se hallan bronces de aluminio, y bronces de silicio. El latón es otra aleación de cobre que resulta familiar, compuesta de cobre y zinc (es común que contenga 65% de cobre y 35% de zinc).  NIQUEL En muchos aspectos, el níquel (Ni) es similar al hierro. Es magnético y su módulo de elasticidad es virtualmente el mismo que el del hierro y el acero. Sin embargo, es mucho más resistente a la corrosión y las propiedades de alta temperatura de sus aleaciones por lo general son superiores. Debido a sus características de resistencia a la corrosión, se usa mucho como elemento de aleación en el acero, como en los aceros inoxidables, y como metal de recubrimiento de otros metales, como el acero al carbono.  PRODUCCIÓN DE NIQUEL El mineral de níquel más importante es la pentlandita ((Ni, Fe)9S8). Para extraer el níquel, primero se tritura el mineral mezclado con agua. A fin de separar los sulfuros de los demás minerales de la mena se utilizan técnicas de flotación. Después, se calienta el sulfuro de níquel para quemar algo del azufre, y luego se funde con el fin de eliminar hierro y silicio.  PRODUCCIÓN DE NIQUEL Se refina más en un convertidor del tipo Bessemer para obtener sulfuro de níquel (NiS) de alta concentración. Después se aplica electrólisis para recuperar níquel de alta pureza a partir del compuesto. Las aleaciones de níquel tienen importancia comercial por sí mismas, y son notables por su resistencia a la corrosión y desempeño a altas temperaturas.  EL TITANIO El titanio (Ti) es abundante en la naturaleza, constituye cerca del 1% de la corteza terrestre (el 8% corresponde al aluminio, el que abunda más). La densidad del titanio está entre la del aluminio y la del hierro; En las últimas décadas su importancia ha crecido debido a sus aplicaciones aeroespaciales, en las que se aprovechan su peso ligero y razón resistencia- peso buena.  PRODUCCIÓN DEL TITANIO Los minerales principales del titanio son el rutilo,, y la ilmenita. El rutilo es preferible como mena debido a su mayor contenido de Ti. En la recuperación del metal a partir de sus minerales, el TiO2 se convierte en tetracloruro de titanio (TiCl4) por medio de hacer reaccionar al compuesto con cloro gaseoso. A esto sigue una secuencia de etapas de destilación para eliminar las impurezas. Luego se reduce el TiCl4 muy concentrado a titanio metálico, con una reacción con magnesio; esto se conoce como proceso Kroll.  PROPIEDADES DEL TITANIO El coeficiente de expansión térmica del titanio es relativamente bajo entre los metales. Es más rígido y fuerte que el aluminio, y a altas temperaturas conserva buena resistencia. El titanio puro es reactivo, lo que da problemas durante el procesamiento, en especial en estado fundido. Sin embargo, a temperatura ambiente forma una película delgada de óxido (TiO2) adhesivo que recubre y proporciona una resistencia excelente contra la corrosión.  ZINC Y SUS ALEACIONES Su punto de fusión bajo lo hace atractivo como metal de fundición. También da protección contra la corrosión cuando se le usa como recubrimiento del acero o hierro; el acero galvanizado es acero recubierto con zinc.  PRODUCCIÓN DEL ZINC La blenda de zinc o esfalerita es el mineral principal del zinc; contiene sulfuro de zinc (ZnS). Otras menas importantes de zinc incluyen: la smithsonita, que es carbonato de zinc , y hemimorfato, que es silicato hidroso de zinc.  La esfalerita debe concentrarse (o beneficiarse, en el argot metalúrgico) debido a la cantidad tan pequeña de sulfuro de zinc que contiene. Esto se lleva a cabo por medio de triturar, en primer lugar, al mineral, luego se muele con agua en un molino de balines para crear una pasta aguada.  En presencia de un agente espumante, la pasta aguada se agita de modo que las partículas de mineral flotan en la superficie y se pueden retirar (se separan de los minerales pesados de la parte inferior). Después, el sulfuro de zinc más concentrado se calienta a 1 260 ºC (2 300 ºF), de modo que con la reacción se forma óxido de zinc (ZnO).  Hay varios procesos termoquímicos para recuperar el zinc de ese óxido, todos los cuales lo reducen por medio de carbono. El carbono se combina con el oxígeno del ZnO para formar CO y CO2, lo que libera Zn en forma de vapor que se condensa para producir el metal deseado. También se usa mucho un proceso electrolítico, responsable de alrededor de la mitad de la producción mundial de zinc. ALEACIONES Y APLICACICONES DEL ZINC Las aleaciones del zinc se utilizan mucho en fundición a troquel para producir componentes en masa para las industrias automotriz y de aparatos. Otra aplicación mayor del zinc se tiene en el acero galvanizado. Como el nombre lo sugiere, se crea una celda galvánica en el acero galvanizado (el Zn es el ánodo y el acero el cátodo) que lo protege del ataque de la corrosión. Por último, el tercer uso importante del zinc es para producir latón. Como ya se dijo, esa aleación consiste en cobre y zinc, en la razón de 2/3 de Cu y 1/3 de Zn, aproximadamente.  PLOMO Y ESTAÑO Es frecuente que el plomo (Pb) y el estaño (Sn) se estudien juntos debido a sus temperaturas de fusión bajas, y porque forman aleaciones para soldar que se emplean para hacer conexiones eléctricas. El plomo es un metal denso con punto de fusión bajo; otras de sus propiedades son resistencia baja, poca dureza (la palabra “suave” es apropiada para describirlo), ductilidad alta y buena resistencia a la corrosión.  Además de su empleo como soldadura, las aplicaciones del plomo y sus aleaciones incluyen las siguientes: tubos para plomería, rodamientos, municiones, metales tipográficos, protección contra rayos X, baterías de almacenamiento y amortiguamiento de vibraciones.  También se utiliza mucho en productos químicos y pinturas. Los elementos de aleación principales para el plomo son estaño y antimonio. El estaño tiene un punto de fusión aún más bajo que el del plomo; otras propiedades incluyen resistencia baja, poca dureza y ductilidad buena. El uso más temprano del estaño fue para hacer bronce, aleación que consistía en cobre y estaño creada alrededor de 3000 a.C. en Mesopotamia y Egipto.  5TA PARTE METALES REFRACTARIOS METALES PRECIOSOS SUPERALEACIONES Ing. César García Teruel METALES REFRACTARIOS Los metales refractarios son aquellos capaces de soportar temperaturas elevadas. Los más importantes de este grupo son el molibdeno y el tungsteno; véase la tabla 6.1i). Otros metales refractarios son el columbio (Cb) y el tantalio (Ta). En general, estos metales y sus aleaciones pueden conservar una resistencia y dureza elevadas a temperaturas altas.  El molibdeno tiene un punto de fusión alto y es relativamente denso, rígido y fuerte.Se usa como metal puro (99.9% + % Mo) y como aleación. La aleación principal es TZM, que contiene cantidades pequeñas de titanio y zirconio (menos de 1% del total).  El Mo y sus aleaciones poseen buena resistencia a alta temperatura, y a esto se deben sus tantas aplicaciones, que incluyen escudos contra el calor, elementos de calefacción, electrodos para soldadura por resistencia, troqueles para trabajos a altas temperaturas (por ejemplo, moldes para fundición a troquel) y piezas para motores de cohete y a reacción.  El tungsteno (W) tiene el punto de fusión más alto de todos los metales puros y es uno de los más densos. Es también el más rígido y duro de todos los metales puros. Su aplicación más conocida es el filamento de los focos incandescentes.  Es común que las aplicaciones del tungsteno se caractericen por temperaturas de operación elevadas, tales como elementos para cohetes y motores a reacción, y electrodos de soldadura con arco. También se utiliza mucho como elemento de aleaciones de aceros para herramientas, resistentes al calor, y para el carburo de tungsteno.  METALES PRECIOSOS Los metales preciosos, también llamados metales nobles debido a que son inactivos en cuanto a la química, incluyen el oro, platino y plata. Son metales atractivos, disponibles en cantidades limitadas, y a través de la historia de las civilizaciones se han empleado para acuñar monedas y respaldar el papel moneda.  También se les usa mucho en joyería y aplicaciones similares que aprovechan su alto valor. Como grupo, los metales preciosos poseen densidad elevada, ductilidad buena, conductividad eléctrica alta, resistencia a la corrosión y temperaturas de fusión moderadas.  El oro (Au) es uno de los metales más pesados; es suave y se le da forma con facilidad,y posee un color amarillo distintivo que le agrega valor. Además de la moneda y joyería,sus aplicaciones incluyen contactos eléctricos (debido a su buena conductividad eléctrica y resistencia a la corrosión), trabajos dentales y recubrimiento de metales comunes para fines decorativos.  El platino (Pt) es el único metal (entre los comunes) cuya densidad es mayor que la del oro. Aunque no se usa tanto como éste, sus aplicaciones son diversas e incluyen la joyería, termopares, contactos eléctricos y equipo catalítico para el control de la contaminación de los automóviles. La plata (Ag) es menos cara por unidad de peso que el oro o el platino. No obstante,su atractivo lustre “plateado” la hace un metal muy valioso para monedas, joyería y vajillas (que incluso adoptan el nombre del metal: “platería”). También se emplea como relleno en trabajos dentales. La plata tiene la conductividad eléctrica más elevada que cualquier metal, lo que la hace útil para contactos en aplicaciones electrónicas. Por último, debe mencionarse que el cloruro de plata y otros haluros del metal sensibles a la luz son la base de la fotografía.  SUPERALEACIONES Las superaleaciones constituyen una categoría que encuadra a los metales ferrosos y no ferrosos. Algunas de ellas están basadas en el hierro, mientras otras lo están en el níquel y el cobalto. En realidad, muchas de las superaleaciones contienen cantidades sustanciales de tres o más metales, en lugar de un solo metal base más elementos de aleación. tienen importancia comercial porque son muy caros; y también la tienen en cuanto a tecnología por lo que hacen.. Las superaleaciones son un grupo de aleaciones de alto rendimiento diseñadas para satisfacer requerimientos muy exigentes de fortaleza y resistencia a la degradación de su superficie (corrosión y oxidación) a varias temperaturas de uso. Para estos metales, la resistencia a la temperatura ambiente convencional no es un criterio importante, y la mayoría de ellos tiene propiedades al respecto que son buenas pero no extraordinarias. Lo que los distingue es su desempeño ante temperaturas elevadas; las propiedades mecánicas de interés son su resistencia a la tensión, dureza en caliente, resistencia al agrietamiento, y a la corrosión a temperaturas muy elevadas. ▶ Por lo general, las superaleaciones se dividen en tres grupos, de acuerdo con su constituyente principal: hierro, níquel o cobalto. ▶ ➣ Aleaciones basadas en el hierro. Como ingrediente principal tienen hierro, aunque en ciertos casos éste es menor de 50% de la composición total. ▶ ➣ Aleaciones basadas en el níquel. Por lo general tienen mejor resistencia a las temperaturas altas que los aceros aleados. El níquel es el metal base. Los elementos principales de la aleación son el cromo y el cobalto; otros menores son el aluminio, titanio, molibdeno, niobio (Nb) y hierro. ▶ ➣ Aleaciones basadas en el cobalto. Tienen al cobalto (alrededor del 40%) y cromo (quizá el 20%) como sus componentes principales. Otros elementos de la aleación incluyen al níquel, molibdeno y tungsteno.