3. EL HIERRO Y SUS ALEACIONES El hierro es un elemento químico de número atómico 26 situado en el grupo 8, periodo 4 de la tabla periódica de los elementos. Su símbolo es Fe y tiene una masa atómica de 55.6 u. Este metal de transición es el cuarto elemento más abundante en la corteza terrestre, representando un 5 % y, entre los metales, solo el a luminio es más abundante; y es el primero más abundante en masa planetaria, debido a que el p laneta en su núcleo, se concentra la mayor masa de hierro h ierro nativo equivalente a un 70 %. El núcleo de la Tierra está formado principalmente por hierro y níquel en forma metálica, generando al moverse un campo magnético. Ha sido históricamente muy importante, y un período de la historia recibe el nombre de Edad de Hierro. En cosmología, es un metal muy especial, pues es el metal más pesado que puede producir la fusión en el núcleo de estrellas masivas; los elementos más pesados que el hierro solo pueden crearse en supernovas.
Figura 3.1 Hierro.
CARACTERÍSTICAS PRINCIPALES
Es un metal maleable, de color gris plateado y presenta propiedades magnéticas; es ferromagnético a temperatura ambiente y presión atmosférica. Es extremadamente duro y denso. Se encuentra en la naturaleza formando parte de numerosos minerales, entre ellos muchos óxidos, y raramente se encuentra libre. Para obtener hierro en estado elemental, los óxidos se reducen con carbono y luego es sometido a un proceso de refinado para eliminar las impurezas presentes. 1
Es el elemento más pesado que se produce exotérmicamente por fusión, y el más ligero que se produce a través de una fisión, debido a que su núcleo tiene la más alta energía de enlace por nucleón (energía necesaria para separar del núcleo un neutrón o un protón); por lo tanto, el núcleo más estable es el del hierro-56 (con 30 neutrones). Presenta diferentes formas estructurales dependiendo de la temperatura y presión, a presión atmosférica. Presión atmosférica del hierro: 9 11 °C. El sistema cristalino es una red cúbica centrada Hierro-α: estable hasta los 911
en el cuerpo (bcc). Hierro-γ: 911 °C - 1392 °C; presenta una red cúbica centrada en las caras (fcc).
Hierro-δ: 1392 °C - 1539 °C; vuelve a presentar una red cúbica centrada en el
cuerpo. Hierro-ε: Puede estabilizarse a altas presiones, presenta estructura hexagonal
compacta (hcp). APLICACIONES
El hierro es el metal duro más usado, con el 95 % en peso de la producción mundial de metal. El hierro puro (pureza a partir de 99,5 %) no tiene demasiadas aplicaciones, salvo excepciones para utilizar su potencial magnético. El hierro tiene su gran aplicación para formar los productos siderúrgicos, utilizando u tilizando éste como elemento matriz para alojar otros elementos aleantes tanto metálicos como no metálicos, que confieren distintas propiedades al material. Se considera que una aleación de hierro es acero si contiene menos de un 2,1 % de carbono; si el porcentaje es mayor, recibe el nombre de fundición. El acero es indispensable debido a su bajo precio y tenacidad, especialmente en automóviles, barcos y componentes estructurales de edificios.
Tabla 3.1 Características Características de diferentes tipos de hierro. ii
3.1 PROCESO DE OBTENCIÓN
Una de las actividades más importantes en el desarrollo de la civilización es la obtención de metales con los que fabricar herramientas. Este conjunto de procesos es bastante complejo, y específico para cada metal. Pero siempre causa un gran impacto sobre el medio ambiente, que debe minimizarse en lo posible. A la o btención del mineral de hierro, su transformación en las distintas formas de hierro y acero; se le denomina siderurgia. La industria de fabricación de aceros es de las más importantes de los países desarrollados, pues son básicas para cualquier sector industrial. Primero hay que sacar el mineral de la mina, que suele ser subterránea en el caso del mineral de h ierro, aunque el desbordante crecimiento de la construcción ha multiplicado el aprovechamiento de las minas a cielo abierto; este tipo de mina genera un enorme impacto, hasta el punto de que genera el 75% de todos los residuos industriales de España, según el Instituto Nacional de Estadística. El transporte del mineral dentro y fuera de la mina obliga al uso de gran número de vehículos. Cuando llega el mineral de hierro a la industria, se procesa junto a caliza y carbón mineral —otros minerales que deben extraerse de minas mi nas— en los altos hornos, de forma semejante a grandes chimeneas, donde ocurren las reacciones que transforman el óxido de hierro inicial en hierro metálico. Los altos hornos consumen una eno rme cantidad de energía, y producen muchos gases que terminan, en mayor o menor medida, en la emisión de gases que se difunden en la atmósfera circundante. El hierro así obtenido contiene una gran cantidad de impurezas, entre ellas el carbono, que si excede cierta proporción, convierte a la aleación en frágil y muy dura. Para eliminar las impurezas y el carbono en exceso se usan los convertidores, que mediante calentamiento e inyección de gases convierten la mezcla en acero, que no es más que hierro con carbono, al que se puede añadir la proporción deseada de otros elementos.
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Figura 3.2 Proceso de obtención del hierro.
3.2 ASIGNACIONES Y CLASIFICACIONES DE LOS ACEROS
Los aceros son aleaciones férreas con un contenido máximo de carbono del 2 %, el cual puede estar como aleante de inserción en la ferrita y austenita y formando carburo de hierro. Algunas aleaciones no son ferromagnéticas. Éste puede tener otros aleantes e impurezas. Dependiendo de su contenido en carbono se clasifican en los siguientes tipos:
Acero bajo en carbono: menos del 0,25 % de C en peso. Son blandos pero dúctiles. Se utilizan en vehículos, tuberías, elementos estructurales, por mencionar algunas. También existen los aceros de alta resistencia y baja aleación, que contienen otros elementos aleados hasta un 10 % en peso; tienen una mayor resistencia mecánica y pueden ser trabajados fácilmente.
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Acero medio en carbono: entre entre 0,25 % y 0,6 % de C en peso. Para mejorar sus propiedades son tratados térmicamente. Son más resistentes que los aceros bajos en carbono, pero menos dúctiles; se emplean en piezas de ingeniería que requieren una alta resistencia mecánica y al desgaste.
Acero alto en carbono: entre 0,60 0,60 % y 1,4 % de de C en peso. peso. Son aún más resistentes, pero también menos dúctiles. Se añaden otros elementos para que formen carburos, por ejemplo, con wolframio se forma el carburo de wolframio, WC; estos carburos son muy duros. Estos aceros se emplean principalmente en herramientas.
Aceros aleados: Con los los aceros no aleados, o al carbono, es imposible satisfacer las demandas de la industria actual. Para conseguir determinadas características de resiliencia, resistencia al desgaste, dureza y resistencia a determinadas temperaturas deberemos recurrir a estos. Mediante la acción de uno o varios elementos de aleación en porcentajes adecuados se introducen modificaciones químicas y estructurales que afectan a la temlabilidad, características mecánicas, resistencia a oxidación y otras propiedades.
La clasificación más técnica y correcta para los aceros al carbono (sin alear) según su contenido en carbono:
Los aceros hipoeutectoides, cuyo contenido contenido en carbono oscila entre 0.02 % y 0,8 %.
Los aceros aceros eutectoides eutectoides cuyo contenido en carbono es de de 0,8 0,8 %. %.
Los aceros hipereutectoides con contenidos contenidos en carbono de 0,8 % a 2 %.
Aceros inoxidables: uno de los inconvenientes del hierro es que se oxida con facilidad.
Añadiendo un 12 % de cromo se considera acero inoxidable, debido a que este aleante crea una capa de óxido de cromo superficial que protege al acero de la corrosión o formación de óxidos de hierro. También T ambién puede tener otro tipo de aleantes como el níquel para impedir la formación de carburos de cromo, los cuales aportan fragilidad y potencian la oxidación intergranular.
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El uso más extenso del hierro es para la obtención de aceros estructurales; también se producen grandes cantidades de hierro fundido y de hierro forjado. Entre otros usos del hierro y de sus compuestos se tienen la fabricación de imanes, tintes (tintas, papel para heliográficas, pigmentos pulidores) y abrasivos (colcótar).
Figura 3.3 Acero.
3.2.1 ACEROS AL CARBONO Y DE BAJA B AJA ALEACIÓN ACEROS AL CARBONO
Constituye una proporción importante de los aceros producidos en las plantas siderúrgicas. Con esa denominación se incluye a aquellos aceros en los que su propiedad fundamental es la resistencia a distintas solicitaciones (fuerzas tanto estáticas como dinámicas). De esta forma se los separa respecto a los aceros inoxidables, a los aceros para herramientas, a los aceros para usos eléctricos o a los aceros para electrodomésticos o partes no estructurales de vehículos de transporte. Cabe aclarar que en este concepto de Acero de construcción se pueden englobar tanto los aceros para construcción civil como para construcción mecánica. Históricamente un 90% de la producción total producida mundialmente corresponde a aceros al carbono y el 10% restante son aceros aleados. Sin embargo, la tendencia es hacia un crecimiento de la proporción de los aceros aleados en desmedro de los aceros al carbono. En esta tendencia tiene importancia la necesidad de a ligerar pesos tanto para el caso de las estructuras (con el consiguiente ahorro en las fundaciones) como los requerimientos de menor consumo por peso en los automóviles, unido en este caso a la necesidad de reforzar la seguridad ante impactos sin incrementar el peso de los vehículos. vi
COMPOSICIÓN QUÍMICA
La composición química de los aceros al carbono es compleja, además del hierro y el carbono que generalmente no supera el 1%, hay en la aleación otros elementos necesarios para su producción, tales como silicio y manganeso, y hay otros que se consideran impurezas por la dificultad de excluirlos totalmente –azufre, fósforo, oxígeno, hidrógeno. El aumento del contenido de carbono en el acero eleva su resistencia a la tracción, incrementa el índice de fragilidad en frío y hace que disminuya la tenacidad y la ductilidad.
Acero dulce: El porcentaje porcentaje de carbono es de 0,25%, tiene una una resistencia mecánica de 48-55 kg/mm2 y una dureza de 135-160 HB. Se puede soldar con una técnica adecuada.
Aplicaciones: Piezas de resistencia resistencia media de buena tenacidad, tenacidad, deformación en frío, frío, embutición, plegado, herrajes, entre otras.
Acero semidulce: El porcentaje de carbono es de 0,35%. 0,35%. Tiene una resistencia mecánica de 55-62 kg/mm2 y una dureza de 150-170 HB. Se templa bien, alcanzando una resistencia de 80 kg/mm2 y una dureza de 215-245 HB.
Aplicaciones: Ejes, elementos de maquinaria, piezas resistentes resistentes y tenaces, tenaces, pernos, tornillos, herrajes.
Acero semiduro: El porcentaje porcentaje de carbono es de 0,45%. Tiene Tiene una resistencia resistencia mecánica de 62-70 kg/mm2 y una dureza de d e 180 HB. Se templa bien, alcanzando una resistencia de 90 kg/mm2, aunque hay que tener en cuenta las deformaciones.
Aplicaciones: Ejes y elementos de máquinas, máquinas, piezas bastante resistentes, cilindros de motores de explosión, transmisiones, entre otras.
Acero duro: El porcentaje porcentaje de carbono es de 0,55%. Tiene una resistencia mecánica de 70-75 kg/mm2, y una dureza de 200 -220 HB. Templa bien en agua y en aceite, alcanzando una resistencia de 100 kg/mm2 y una dureza de 275-300 HB.
Aplicaciones: Ejes, transmisiones, transmisiones, tensores y piezas piezas regularmente cargadas y de espesores no muy elevados.
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ACEROS DE BAJA ALEACIÓN
Se emplean estos aceros para alcanzar una templabilidad mayor, lo cual mejora otras propiedades mecánicas. También se usan para aumentar la resistencia a la corrosión en ciertas condiciones ambientales. Los aceros de baja aleación con contenidos medios o altos en carbono son difíciles de soldar. Bajar el contenido en carbono hasta un 0,10 % o 0,30 %, acompañada de una u na reducción en elementos aleantes, incrementa la soldabilidad y formabilidad del acero manteniendo su resistencia. Dicho metal se clasifica como un HSLA Steel (acero de baja aleación de alta resistencia). Algunos aceros de baja aleación aleación comunes son: D6AC.
300M.
256.
Tabla 3.2 Principales aceros de baja aleación. viii
Figura 3.4 Acero de baja aleación.
3.2.2 ACEROS ESPECIALES ACEROS NO ALEADOS ESPECIALES
Son aquellos que presentan una mayor pureza pur eza que los aceros de calidad, en especial en relación con el contenido de inclusiones no metálicas. Estos aceros son destinados a tratamientos de temple y revenido, caracterizándose por un buen comportamiento frente a estos tratamientos. Durante su fabricación se lleva a cabo bajo un control exhaustivo de su composición y condiciones de manufactura. Este proceso dota a estos tipos de acero de valores en su límite elástico o de templabilidad elevados, a la vez, que un buen comportamiento frente a la conformabilidad en frío, f río, soldabilidad o tenacidad. ACEROS ALEADOS ESPECIALES
Son aquellos caracterizados por un control preciso de su composición química y de unas u nas condiciones particulares de elaboración y control para asegurar unas propiedades mejoradas. Entre estos tipos de acero se encuentran los siguientes:
Aceros aleados aleados destinados destinados a la construcción construcción mecánica y aparatos de presión. presión.
Aceros para rodamientos.
Aceros para herramientas. ix
Aceros rápidos.
Otros aceros con características características físicas físicas especiales, especiales, como como aceros con coeficiente coeficiente de dilatación controlado, con resistencias eléctricas, por mencionar algunos.
ACEROS PARA USOS ESPECIALES:
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. 3.2.3 ACEROS INOXIDABLES
El acero inoxidable es un acero de elevada resistencia a la corrosión, dado que el cromo, u otros metales aleantes que contiene, poseen gran afinidad por el oxígeno y reacciona con él formando una capa pasivadora, evitando así la corrosión del hierro (los metales puramente inoxidables, que no reaccionan con oxígeno son oro y platino, y de menor pureza se llaman resistentes a la corrosión, como los que contienen fósforo). Sin embargo, esta capa puede ser afectada por algunos ácidos, dando lugar a que el hierro sea atacado y oxidado por mecanismos intergranulares o picaduras generalizadas. Algunos tipos de acero inoxidable contienen además otros elementos aleantes. Como todos los tipos de aceros, el acero inoxidable es un material simple. Lo que tienen en común todos los aceros es que el principal componente (elemento que forma la aleación) es el hierro, al que se añade una pequeña cantidad de carbono. El acero inoxidable fue inventado a principios del siglo XX cuando cua ndo se descubrió que una pequeña cantidad de cromo (el mínimo para conseguir propiedades inoxidables es del 12 %) añadido al acero común, le daba un aspecto brillante y lo hacía altamente resistente a la suciedad y a la oxidación. Esta resistencia a la oxidación, denominada «resistencia a la corrosión», es lo que hace al a l acero inoxidable diferente de otros tipos de acero. El acero inoxidable es un material sólido y no un revestimiento especial aplicado al acero común para darle características "inoxidables". Aceros comunes, e incluso otros metales, son a menudo cubiertos o “bañados” con metales blancos como el cromo, níquel o zinc x
para proteger sus superficies o darles otras características superficiales. Mientras que estos baños tienen sus propias ventajas y son muy utilizados, el peligro radica en que la capa puede ser dañada o deteriorarse de algún modo, lo que anularía su efecto protector. La apariencia del acero inoxidable puede, sin embargo, variar y depe nderá de la manera en que esté fabricado y de su acabado superficial.
Figura 3.5 Acero inoxidable.
3.3.4 HIERROS FUNDIDOS
El hierro fundido, hierro colado, más conocido como fundición gris, es un tipo de a leación, cuyo tipo más común es el conocido como hierro fundido gris. El hierro gris es uno de los materiales ferrosos más empleados y su nombre se debe a la apariencia de su superficie al romperse. Esta aleación ferrosa contiene en general más de 2% de carbono y más de 1% de silicio, además de manganeso, fósforo y azufre. Una característica distintiva del hierro gris es que el carbono se encuentra en general como grafito, adoptando formas irregulares descritas como “hojuelas”. Este grafito es el que da la coloración gris a las
superficies de ruptura de las piezas elaboradas con este material. Las propiedades físicas y en particular las mecánicas varían dentro de amplios intervalos respondiendo a factores como la composición química, rapidez de enfriamiento después del vaciado, tamaño y espesor de las piezas, práctica de vaciado, tratamiento térmico y parámetros microestructurales como la naturaleza de la matriz y la forma y tamaño de las hojuelas de grafito. Un caso particular es el del grafito esferoidal, que comienza a utilizarse en los años 1950, a partir de entonces ha desplazado otros tipos de hierro maleable y hierro gris. xi
Figura 3.6 Hierro gris.
Entre los primeros usos de este material se dieron, en Europa occidental, en el año 1313, específicamente en la fabricación de cañones, y presumiblemente en la misma época se comenzaron a utilizar también en la construcción de tuberías. Se tienen registros de que en 1455 la primera tubería de hierro fundido fue instalada en Alemania, en el Castillo Dillenberg. El proceso de fabricación de los tubos de hierro fundido ha tenido profundas modificaciones, pasando del método antiguo de foso de co lada hasta el proceso moderno por medio de la centrifugación. 3.4 METALES Y ALEACIONES NO FERROSAS METAL NO FERROSO
Los metales no ferrosos son aquellos en cuya composición no se encuentra el hierro. Los más importantes son siete: cobre, zinc, plomo, estaño, aluminio, níquel y magnesio. Hay otros elementos que con frecuencia se fusionan con ellos para preparar aleaciones de importancia comercial. También hay alrededor de 15 metales menos importantes que tienen usos específicos en la industria. Los metales no ferrosos se clasifican en tres grupos: Pesados: son aquellos cuya densidad es igual o mayor de 5 kg/dm³. Ligeros: su densidad está comprendida entre 2 y 5 kg/dm³. Ultraligeros: su densidad es menor de 2 kg/dm³.
Figura 3.7 Metal no ferroso. xii
ALEACIONES NO FERROSAS
Son aleaciones que no contienen fierro, o contienen cantidades relativamente pequeñas de hierro, algunos ejemplos, aluminio, cobre, zinc, estaño y níquel. Sus propiedades son lata resistencia a la corrosión, elevada conductividad eléctrica y térmica, baja densidad y facilidad de producción. Una aleación es una mezcla sólida homogénea de dos o más metales, o de uno o más metales con algunos elementos no metálicos. Estas aleaciones pueden ser por tratamiento térmico o por precipitación.
Figura 3.8 Aleación no ferrosa.
3.4.1 ALEACIONES DE ALUMINIO
Las aleaciones de aluminio son aleaciones obtenidas a partir de aluminio y otros elementos (generalmente cobre, zinc, manganeso, magnesio o silicio). Forman parte de las llamadas aleaciones ligeras, con una densidad mucho menor que los aceros, pero no tan resistentes a la corrosión como el aluminio puro, que forma en su superficie una capa de óxido de aluminio (alúmina). Las aleaciones de aluminio tienen como principal objetivo mejorar la dureza y resistencia del aluminio, que es en estado puro un metal muy blando. xiii
CARACTERÍSTICAS
Desde el punto de vista físico, el aluminio puro posee una resistencia muy baja a la tracción y una dureza escasa. En cambio, unido en aleación con otros elementos, el aluminio adquiere características mecánicas muy superiores. La primera aleación resistente de aluminio descubierta fue el Duraluminio, y pueden ser centenares de aleaciones diferentes. El duraluminio contiene pequeñas cantidades de cobre (Cu) (3 5%), magnesio (Mg) (0,5 - 2%), manganeso (Mn) (0,25 - 1%) y Zinc (3,5 - 5%). Las aleaciones de aluminio contienen, en una matriz de aluminio diversos elementos de aleación. Los principales son el cobre (Cu), silicio (Si), magnesio (Mg), zinc (Zn) y manganeso (Mn). En menores cantidades se usa u sa también hierro (Fe), cromo (Cr) y titanio (Ti); y para aleaciones especiales se suele usar también níquel (Ni), cobalto (Co), plata (Ag), litio (Li), vanadio (V), circonio (Zr), estaño (Sn), plomo (Pb), cadmio (Cd), bismuto (Bi), berilio (Be), boro (B), sodio (Na), estroncio (Sr) y escandio (Sc). Son también importantes los diversos tipos de aleaciones llamadas anticorodal, a base de aluminio (Al) y pequeños aportes de magnesio (Mg) y silicio (Si). Pero que pueden contener a veces manganeso (Mn), titanio (Ti) y Cromo (Cr). A estas aleaciones se las conoce con el nombre de avional, duralinox, silumin, hidronalio, peraluman, entre otros. Como hay distintas composiciones de aluminio en el mercado, es importante considerar las propiedades que éstas presentan, pues, en la industria de la manufactura, unas son más favorables que otras.
Figura 3.9 Aleación de aluminio. xiv
3.4.2 ALEACIONES DE MAGNESIO Y BERILIO EL MAGNESIO Y SUS ALEACIONES
Es uno de los elementos químicos más importantes, tanto por su abundancia (es el octavo constituyente de la corteza terrestre, y el tercero de los que contiene el agua del mar en disolución) como por sus aplicaciones. Se halla presente en la dolomía, la carnalita, el amianto, la espuma de mar o sepiolita, la giobertita, y como cloruros o sulfatos en el agua de mar. El magnesio se utiliza en diferentes procesos al igual que en diversos materiales, se encuentran presentes en la vida diaria. PROPIEDADES MECÁNICAS
El magnesio puro tiene poca resistencia mecánica y plasticidad, su poca plasticidad es debida a que su red es hexagonal y posee pocos planos de deslizamiento. Las bajas propiedades mecánicas excluye la posibilidad de utilizarlo en estado puro como material estructural, pero aleado y tratado térmicamente puede mejorar sus propiedades mecánica. Como el más liviano metal estructural disponible, la combinación de baja densidad y buena resistencia mecánica de las aleaciones de magnesio resulta en una alta relación resistencia-peso. Sobre esta base, es comparable con la mayoría de los materiales estructurales comunes. Entre los aleantes más comunes el aluminio y el zinc se introducen para elevar la resistencia mecánica, el manganeso para elevar la resistencia a la corrosión y afinar el tamaño de grano, para esto último se pueden utilizar el circonio y los metales de las tierras raras, el berilio se utiliza para disminuir la tendencia a la inflamación durante la colada. Debido a su bajo módulo de elasticidad, las aleaciones de magnesio pueden absorber energía elásticamente. Combinado con tensiones moderadas, esto provee excelente resistencia al rayado y alta capacidad de amortiguamiento. El magnesio aleado posee buena resistencia a la fatiga y se comporta particularmente bien en aplicaciones que involucran un gran número n úmero de ciclos de tensiones relativamente bajas. Sin embargo, el metal es sensible a la concentración de tensiones, por lo que deberían evitarse muescas, aristas agudas y cambios abruptos de sección. Las partes de magnesio son generalmente utilizadas a temperaturas que varían desde la ambiente hasta los 175°C, algunas aleaciones pueden ser usadas en ambientes de servicio. xv
FABRICACIÓN
Las aleaciones de magnesio son muy fáciles de mecanizar, pueden ser conformados y fabricados por la mayoría de los procesos de trabajado de metales. A temperatura ambiente, el magnesio se endurece por trabajado rápidamente, reduciendo la conformabilidad en frío; de este modo, el conformado en frío está limitado a deformación moderada o curvado por rodillo de gran radio. Las fundiciones de las aleaciones de magnesio son dimensionalmente estables hasta aproximadamente los 95°C. Algunas fundiciones de aleación magnesio-aluminio-zinc pueden experimentar envejecimiento permanente si se usan por encima de esta temperatura por largos períodos. Las coladas de molde permanente son tan resistentes como las de molde de arena, y pueden proporcionar tolerancias dimensionales más ajustadas, con mejor terminación superficial. Las aplicaciones típicas de la colada por gravedad son componentes de motores de aviación y llantas de vehículos de competición. El diseño de partes de magnesio por colada inyectada sigue los mismos principios establecidos para otros metales. Las máximas propiedades mecánicas en una aleación típica son desarrolladas en un rango de espesor de pared entre 1,9 y 3,8 mm. Carcazas de herramientas a motor y sierras de dientes articulados, palancas, mandos y bastidores autoportantes son aplicaciones típicas de la colada inyectada. El magnesio es fácil de trabajar en caliente, por lo que usualmente requiere menos etapas de forjado que otros metales. Curvado, calado y terminado son usualmente las únicas operaciones que se necesitan. Una típica aplicación del forjado de magnesio son los anillos de acoplamiento en fuselajes de misiles. Las formas usu ales de extrusión incluyen perfiles redondos, cuadrados, rectangulares y hexagonales; ángulos, vigas y canales; y una variedad de tubos. Ejemplos de extrusiones de magnesio son bastidores de carga y estructurales para cubiertas militares.
Figura 3.10 Aleación de magnesio. xvi
ALEACIONES DE BERILIO
El berilio es un elemento químico de símbolo Be y número atómico 4. Es un elemento alcalino térreo bivalente, tóxico, de color gris, duro, ligero y quebradizo. Se emplea principalmente como endurecedor en aleaciones, especialmente de cobre. Estas aleaciones de cobre-berilio con Co o/y Ni poseen características mecánicas muy elevadas, similares a los aceros de alta resistencia, una vez sometidas al tratamiento térmico adecuado. Además tienen una buena conductibilidad térmica y eléctrica, a sí como excelentes características elásticas. Son resistentes a la co rrosión y poseen propiedades antichíspa y amagnéticas.
Elemento de aleación, en aleaciones cobre-berilio con una gran variedad de aplicaciones.
En el diagnóstico con rayos X se usan delgadas delgadas láminas de berilio berilio para filtrar la radiación visible, así como en la litografía de rayos X para la reproducción de circuitos integrados.
Moderador de neutrones en reactores nucleares.
Por su rigidez, ligereza y estabilidad dimensional, se emplea emplea en la construcción construcción de de diversos dispositivos como giroscopios, equipo informático, muelles de relojería e instrumental diverso.
El óxido de berilio se emplea emplea cuando son necesarias necesarias elevada elevada conductividad conductividad térmica y propiedades mecánicas, punto de fusión elevado y aislamiento eléctrico.
Antaño se emplearon emplearon compuestos de berilio berilio en tubos fluorescentes, fluorescentes, uso abandonado por la beriliosis.
Fabricación de Tweeters en altavoces de la clase clase High-End, debido a su gran rigidez.
El principal uso del berilio metálico se encuentra en la manufactura de aleaciones beriliocobre y en el desarrollo desa rrollo de materiales moderadores y reflejantes para reactores nucleares. La adición de un 2% de berilio al cobre forma una aleación no magnética seis veces más fuerte que el cobre. Estas aleaciones berilio-cobre tienen numerosas aplicaciones en la industria de herramientas ya que no producen chispas, en las partes móviles críticas de aviones, así como en componentes clave de instrumentos de precisión, computadoras mecánicas, reveladores eléctricos y obturadores de cámaras fotográficas. Martillos, llaves y otras herramientas de berilio-cobre se emplean en refinerías petroleras y otras plantas. 17
Figura 3.11 Aleación de berilio-cobre.
3.4.3 ALEACIONES DE COBRE Las aleaciones base cobre son más pesadas que el hierro, y si bien la temperatura de fluencia es elevada, la relación resistencia-peso es típicamente inferior a la de las aleaciones de aluminio y magnesio. Las aleaciones tienen mayor resistencia a la fatiga, a la termofluencia y el desgaste abrasivo que las aleaciones ligeras, presentando una excelente ductilidad, resistencia a la corrosión, muy buena conductividad eléctrica y electrónica, y responden muy bien al endurecimiento por deformación. Cobre comercialmente puro. Los cobre que contienen menos del 1% de impurezas se utilizan en aplicaciones eléctricas por su elevada conductividad, debiendo tener especial cuidado en el contenido en oxígeno de los mismos, por lo que suelen utilizarse desoxidados con fósforo. Algunas aleaciones se endurecen por dispersión al adicionar pequeñas cantidades de óxidos, fundamentalmente alúmina, lo cual mejora la dureza de la aleación sin disminuir significativamente la conductividad eléctrica. Cualquiera de estas aleaciones puede endurecerse por deformación, consiguiendo grandes aumentos de sus características mecánicas con disminuciones de sus prestaciones eléctricas. Aleaciones endurecidas por solución sólida. Un buen número de aleaciones base b ase cobre contiene grandes cantidades de elementos de aleación en solución con el cobre, tal como aparece en los diferentes diagramas de equilibrio e quilibrio representados en las figuras siguientes. La aleaciones cobre-zinc o latones, figura 13.22a, con menos del 40% de Zn forman soluciones sólidas monofásicas de zinc en cobre, con las propiedades correspondientes a la estructura cristalina c.c.c. del cobre. xviii
Figura 3.12 Aleación de cobre.
3.4.4 ALEACIONES DE NÍQUEL Y COBALTO ALEACIONES DEL NIQUEL
El Níquel es uno de los metales de mayor relevancia industrial cuyo empleo se remonta a tiempos prehistóricos, incluso mucho tiempo antes de que este metal pudiera ser aislado a islado y clasificado como elemento químico. Es un metal de color blanco plateado, duro, tenaz y maleable, que posee unas buenas características de resistencia a la corrosión y a la oxidación. Se obtiene a partir del tratamiento de sus menas de tipo óxido ( 40%) y sulfuros (60%).
Son aleaciones NO ferrosas, con matriz en NIQUEL.
Excepcional resistencia a la corrosión y las altas temperaturas.
Propiedades magnéticas.
Mejora las propiedades mecánicas mecánicas de los elementos que lo constituyen. constituyen. Ej. “MONEL”.
El Níquel se utiliza industrialmente tanto en su denominación comercial de Níquel puro como formando parte de un gran número de aleaciones a las que se les adicionan distintos elementos que actúan sobre sus propiedades mecánicas. Algunas de estas aleaciones que se forman traen consigo grandes beneficios, producen nuevos materiales súper resistentes, algunos con mayor dureza que otros, resistencia a la aleación, resistencia mecánica, mayor conductividad eléctrica o térmica, entre otros. Los efectos de algunos de estos elementos de aleación son los que se muestran en la tabla siguiente: xix
Tabla 3.3 Elementos de aleación del níquel.
Dada su gran resistencia a la corrosión, el Níquel se emplea como revestimiento electrolítico de aquellos metales que son susceptibles a la corrosión, como son el Hierro y el acero. El Níquel se usa principalmente en forma de aleaciones, en aquellas aplicaciones en las que interesa conferir propiedades mecánicas especiales, aumentar la resistencia a la corrosión, controlar la dilatación, disponer de cualidades magnéticas especiales o disminuir la conductividad eléctrica. NÍQUEL Y COBRE: A estas aleaciones se la denominan Monel, tiene elevada resistencia mecánica, soldabilidad, excelente resistencia a la corrosión, tenacidad, excelente rendimiento en la exposición al agua de mar o salobre en condiciones de alta velocidad.
Figura 3.13 Aleación de níquel y cobre. xx
NIQUEL Y HIERRO:
Aleaciones de aceros forjados (de 0.5 a 9%Ni).
Aceros de aleación colados (de 0.5 a 9%Ni).
Hierros colados de aleación (de 1 a 6 y de 14 a 36% Ni). Ni).
Aleaciones magnéticas (de20 a 90% Ni).
Aleaciones no magnéticas (10a 20% Ni).
Aceros revestidos revestidos de acero inoxidable inoxidable (de 5 a 49% Ni).
Súper aleaciones en base de hierro (de (de 0.2 a 9%Ni.
Aleaciones de dilatación térmica controlada controlada de de bajo coeficiente (de 36 a 50% 3 Ni).
De dilatación seleccionada (de 22 a 50% Ni).
Figura 3.14 Aleación de níquel y hierro.
ALEACIONES DE COBALTO
El Cobalto es un metal. Su número atómico es 27 y su peso atómico 58,93. El cobalto se parece al hierro y al níquel, tanto en estado libre como combinado. El cobalto y sus aleaciones son resistentes al desgaste y a la corrosión, aún a temperaturas elevadas. El cobalto es ferromagnético y se parece al hierro y al níquel, en su dureza, resistencia r esistencia a la tensión, capacidad de uso en maquinaria, propiedades térmicas y comportamiento electroquímico. Al metal no lo afectan el agua ni el aire en condiciones normales, y lo atacan con rapidez el ácido sulfúrico, el ácido clorhídrico y el ácido nítrico; pero el ácido fluorhídrico, el hidróxido de amonio y el hidróxido de sodio lo atacan lentamente. xxi
APLICACIONES
Entre sus aplicaciones comerciales más importantes están:
Aleaciones para uso a temperaturas elevadas.
Aleaciones magnéticas (ej.: AlNiCo) para la fabricación de imanes imanes y electroimanes.
Aleaciones para máquinas y herramientas (ej.: Stellite).
Sellos vidrio a metal.
Aleaciones para fabricación fabricación de prótesis quirúrgicas y dentales (ej.: Vitallium, F75.
Cromo-Cobalto-Molibdeno).
Figura 3.15 Aleación de cobalto.
3.4.5 ALEACIONES DE TITANIO El titanio es un elemento químico de símbolo Ti y número a tómico 22. Se trata de un metal de transición de color gris plata. Comparado con el acero, aleación con la que compite en aplicaciones técnicas, es mucho más ligero (4,5/7,8). Tiene alta resistencia a la corrosión y gran resistencia mecánica, pero es mucho más costoso que aquél, lo cual limita sus usos industriales. Es un metal abundante en la naturaleza; se considera que es el cuarto metal estructural más abundante en la superficie terrestre y el noveno en la gama de metales industriales. No se encuentra en estado puro sino en forma de óxidos, en la escoria de ciertos minerales de hierro y en las cenizas de animales y plantas. Su utilización se ha generalizado con el desarrollo de la tecnología aeroespacial, donde es capaz de soportar las condiciones extremas de frío y calor que se dan en el espacio y en la industria química, por ser resistente al ataque de muchos ácidos; asimismo, este metal tiene propiedades biocompatibles, dado que los tejidos del organismo toleran su presencia, por lo que es factible la fabricación de muchas prótesis e implantes de este metal. xxii
ALEACIONES DE TITANIO
Las aleaciones más conocidas son las siguientes:
Ti grado 2, tiene tiene la siguiente composición química: TiFe (0,25-0,30) Es conocido como titanio comercial puro. Tiene una resistencia a la tracción de 345 MPa, un límite elástico de 275 MPa, una ductilidad del 20% una dureza de 82 HRB, se puede soldar y una resistencia eléctri ca de 0,56 (μΩm). Sus principales aplicaciones son campos donde se requiere resistencia a la corrosión y conformabilidad como las tuberías, intercambiadores de calor, entre otras.
Ti grado 5, conocido como Ti6Al4V, Ti6Al4V, tiene un porcentaje del 6% de aluminio y un 4% de vanadio. Es la aleación de titanio más utilizada, sobre todo, en el campo de la aeronáutica, en el de la biomedicina b iomedicina o la estomatología. Tiene una resistencia a la tracción de 896 MPa, un límite elástico de 827 MPa, una ductilidad del 10% una dureza de 33 HRB una soldabilidad muy buena y una resistividad eléctrica de 1,67 (μΩm). Sus aplicaciones son donde se requiera alta resistencia mecánica y altas
temperaturas como en (tornillería y piezas forjadas).
Ti grado 19, tiene la siguiente siguiente composición composición química Ti3Al8V6Cr4Zr4Mo Ti3Al8V6Cr4Zr4Mo (Beta-C) Tiene una resistencia a la tracción de 793 MPa, un límite elástico de 759 MPa una ductilidad de 15% una dureza de 45 HRB una soldabilidad regular y una resistividad de 1,55 (μΩm). Sus aplicaciones son donde se requiera alta resistencia a la
corrosión y a la temperatura ((Aplicaciones marinas y motores de aviones).
Ti6246 Tiene la la siguiente composición química: química: Ti6Al2Sn4Zr6Mo, Ti6Al2Sn4Zr6Mo, Tiene una resistencia a la tracción de 1172 Mpa, un límite elástico de 1103 Mpa una ductilidad del 10% una dureza de 39 HRB una soldabilidad limitada y una resistividad eléctrica de 2 (μΩm) Sus aplicaciones son donde se requiera alta resistencia mecánica
obtenida por temple. Los más utilizados son los siguientes:
Ti grado 1, 1, 2, 3 y 4 incluyen el llamado titanio puro con una una composición superior al 99% de Ti.
Ti grado 5 y 9 son aleaciones resistentes resistentes a la corrosión y una resistencia mecánica media.
Ti grado 7, 11 y 12 son aleaciones muy resistentes resistentes a la corrosión.
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Figura 3.16 Aleación de titanio.
Las normas ASTM fijan las utilidades del titanio y sus aleaciones:
ASTM B265: fleje, pletina y chapa.
ASTM B263: accesorios soldados y sin soldadura.
ASTM B348: barras y palanquillas.
ASTM B367: piezas de fundición.
ASTM B381: forjados.
ASTM B861: tubería sin soldadura.
ASTM B862: tubería soldada.
ASTM B863: hilo y alambre.
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CONCLUSIONES En esta tercera unidad en base a todo lo investigado referente al hierro y sus propiedades, vimos que se pueden realizar varias aleaciones con este elemento y estas se clasifican en diferentes tipos debido a las propiedades que tienen. Pudimos observar la importancia del porque clasificarlos, ya que cada uno se mezcla con diferentes elementos para poder mejorar sus propiedades, tanto físicas como químicas. A pesar de que se realizan con hierro tienen características físicas y químicas diferentes, también tienen diferentes aplicaciones dependiendo la mezcla que se realice, las aleaciones son una mezcla de un metal en combinación con otro elemento. Logramos ver cómo se aplican cada una de las diferentes aleaciones que hay en diferentes objetos, como láminas de acero, láminas de acero inoxidable. Conocer las características de cada aleación es importante ya que como se mencionó antes cada una tiene características físicas y químicas diferentes por lo cu al cada uno tiene una aplicación diferente ya que unos son más resistentes para ciertas cosas, otros resisten más calor que otros, unos tienen menos oxidación que otros y por ello se dice que cada uno tiene aplicaciones diferentes porque no tienen la misma resistencia para todo.
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FUENTES DE CONSULTA http://es.wikipedia.org/wiki/Hierro http://ingemecanica.com/tutorialsemanal/tutorialn101.html http://es.wikipedia.org/wiki/Acero_al_carbono http://es.wikipedia.org/wiki/Acero_inoxidable https://iesvillalbahervastecnologia.files.w https://iesvillalbahervastecnologia.files.wordpress.com/2009/02/met ordpress.com/2009/02/metales-no-ferrosos.pdf ales-no-ferrosos.pdf http://artigoo.com/aleaciones-no-ferrosas http://es.wikipedia.org/wiki/Aleaciones_de_aluminio http://html.rincondelvago.com/el-magnesio-y-sus-aleaciones.html http://quimica.laguia2000.com/elementos-quimicos/aleaciones-del-magnesio http://fundicion-cobre-bronce.com/cobre-berilio.html http://es.wikipedia.org/wiki/Titanio http://educativa.catedu.es/44700165/aula/archivos/repositorio//1 ducativa.catedu.es/44700165/ aula/archivos/repositorio//1000/1015/html/2_el_proceso_d 000/1015/html/2_el_proceso_d e_obtencin_del_hierro.html
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