UNIVERSIDAD CATÓLICA DE SANTA MARÍA FACULTAD DE ARQUITECTURA, INGENIERÍA CIVIL Y DEL AMBIENTE PROGRAMA: INGENIERÍA CIVIL ÁREA: QUÍMICA GENERAL TEMA: ALEACIÓN, CLASES Y APLICACIONES INTEGRANTES: -GONZALES ZAPANA, WILFREDO -HUANCA MIRANDA, -HUMPIRE VIZA, RICARDO -LLERENA CASTILLO, GABRIELA -MANRIQUE GAMARRA, EDWARD -MONTEAGUDO GÓMEZ, LUDWING -PAREDES CHURA, VANESA -YACO CUELA, GABRIELA SEMESTRE: II
SECCIÓN: “A”
PROFESORA: ING. TRINIDAD AREQUIPA-PERÚ 2012
1) INTRODUCCIÓN: Dado el caso de que los materiales más usados en la construcción no se encuentran en la naturaleza en estado puro, por lo que para su empleo hay que someterlos a una serie de operaciones metalúrgicas cuyo fin es separar el metal de las impurezas u otros minerales que lo acompañen. Pero esto no basta para alcanzar las condiciones óptimas, entonces para que los metales tengan buenos resultados, se someten a ciertos tratamientos con el fin de hacer una aleación que reúna una serie de propiedades que los hagan aptos para adoptar sus formas futuras y ser capaces de soportar los esfuerzos a los que van a estar sometidos. Aquí se presentan unos datos importantes:
La importancia radica en que para algunas aplicaciones especiales, un metal por sí mismo no puede cumplir con algunos requisitos y por eso se hace necesario combinarlo con otro. Ejemplo: El acero inoxidable. El acero por sí solo no puede usarse en hospitales ya que se oxida y en ese oxido pueden alojarse y reproducirse las bacterias. Una de las más interesantes características de la plata es que este precioso metal se alea fácilmente con la gran mayoría de los metales a excepción del níquel que lo hace con mucha dificultas y el aluminio, hierro y cobalto con los que no se alea. El bronce fue una de las primeras aleaciones que descubrió la humanidad, dando origen a la histórica Edad del Bronce. El bronce es una aleación del Cobre y el Estaño. Los instrumentos férricos más antiguos conocidos descubiertos por arqueólogos en Egipto en el año 3000AC y aun antes se usaron ornamentos férricos; se buscaba el endurecimiento de armas férricas por medio de variaciones de calor la cual era una técnica avanzada en el año 1000AC y fue dada a conocer por los Griegos. Las primeras aleaciones férricas fueron producidas por obreros aproximadamente hasta el siglo 14 DC, y este sería clasificado hoy como hierro forjado. Estas aleaciones fueron hechas calentando una masa de material férrico y carbón de leña en un horno que tenía una cubierta rígida, bajo este tratamiento el material se redujo a la esponja de hierro metálico en forma de escoria, compuesta por impurezas metálicas y cenizas del carbón de leña.
La fabricación del acero comenzó por accidente ya que los expertos en la materia intentando fabricar hierro calentaron excesivamente la masa y la enfriaron muy rápido obteniendo la aleación del acero en lugar de hierro.
2) CONCEPTO: Las aleaciones tienen por objeto modificar en un sentido determinado las condiciones de los metales, tratando de mejorar bajo el punto de vista utilitario, ya sea su aspecto o su resistencia mecánica. Pero el número de aleaciones empleadas en construcción es grande, y algunas de ellas, como el bronce y el latón, datan de muy antiguo. Las aleaciones resultan a veces verdaderas combinaciones químicas, pero en la mayoría de los casos son simplemente mezclas bastante homogéneas, como puede comprobarse con el examen microscópico.
A. DEFINICIÓN: Una aleación es una mezcla homogénea, de propiedades metálicas, que está compuesta de dos o más elementos, de los cuales, al menos uno es un metal. También se llama aleaciones a las combinaciones de los metales con los metaloides. Al alearse un metal con otro, queda afectado el punto de fusión de cada uno de ellos. Aunque la proporción sea el 50% de cada metal, rara vez es la que pueda calcularse matemáticamente el punto de fusión de la aleación entre el cobre (punto de fusión 1088ºC) y el níquel (punto de fusión 1454ºC), cuya aleación al 50% resulta con un punto de fusión próximo a la media aritmética de esas dos temperatura.
B. PROCESO DE OBTENCIÓN: Históricamente para la obtención de una aleación se mezclan los diversos elementos llevándolos a temperaturas tales que sus componentes se fundan y dejando luego solidificar la solución líquida formando una estructura granular cristalina apreciable a simple vista o con el microscopio óptico La pulvimetalurgia desarrollada más recientemente, ha alcanzado gran importancia en la preparación de aleaciones con características especiales. En este proceso, se preparan las aleaciones mezclando los materiales secos en polvo, prensándolos a alta presión y calentándolos después a temperaturas justo por debajo de sus puntos de fusión.
El resultado es una aleación sólida y homogénea. Los productos hechos en serie pueden prepararse por esta técnica abaratando mucho su costo. Otra técnica de aleación es la implantación de ion, que ha sido adaptada de los procesos utilizados para fabricar chips de ordenadores o computadoras. Sobre los metales colocados en una cámara de vacío, se disparan haces de iones de carbono, nitrógeno y otros elementos para producir una capa de aleación fina y resistente sobre la superficie del metal. Bombardeando titanio con nitrógeno, por ejemplo, se puede producir una aleación idónea para los implantes de prótesis.
Procesos de fusión:
Los componentes se calientan en un horno a una temperatura superior a las de fusión, se logra una mezcla homogénea y posteriormente se reduce la temperatura hasta que solidifican de nuevo.
Electrólisis:
Si el electrolito contiene en disolución cationes de los elementos que queremos alear, con el paso de una corriente eléctrica dichos iones se depositarán sobre el cátodo.
Compresión:
Mediante un proceso similar a la sinterización, se mezclan los materiales en forma de polvo o virutas, se aumenta la presión y se calienta la mezcla hasta temperaturas inferiores a la de fusión.
Implantación de iones:
El metal, colocado en una cámara de vacío, se disparan haces de iones de carbono, nitrógeno y otros elementos para producir una capa de aleación fina y resistente sobre la superficie del metal.
3) CLASES: A. 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.
B. ALEACIONES DE ALUMINIO: A pesar de que el aluminio puro es un material poco usado se da la paradoja de que las aleaciones de este material son
ampliamente usadas en una grandísima variedad de aplicaciones tanto a nivel industrial como a otros niveles. 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 aluminio y sus aleaciones se caracterizan por la relativamente baja densidad (2.7 g/cc comparada con 7.9 g/cc del acero), elevadas conductividades eléctrica y térmica y resistencia a la corrosión en algunos medios, incluyendo el atmosférico.
C. ALEACIONES DE MAGNESIO: La aleación de Magnesio ha sido tradicionalmente un elemento muy importante en la industria aeroespacial debido a su ligereza y operabilidad en condiciones demandantes. Las aleaciones de Magnesio siempre han sido siempre muy atractivas para los diseñadores debido a su baja densidad, solo dos tercios de aluminio. El mejoramiento en sus propiedades mecánicas y resistencia a la corrosión ha llevado a que las aleaciones de Magnesio sean de gran interés en el área aeroespacial y aplicaciones especiales
D. ALEACIONES DE COBRE: El cobre y sus aleaciones han sido utilizados desde la antigüedad. En forma pura se caracteriza por su alta conductividad eléctrica y térmica, buena resistencia a la corrosión. Con sus aleaciones se busca aumentar su resistencia mecánica y química. Las más conocidas son:
Latón:
Es una aleación de cobre con un contenido de zinc de hasta 40%. En frío, los lingotes obtenidos pueden transformarse en láminas de diferentes espesores, varillas o cortarse en tiras susceptibles de estirarse para fabricar alambres. Su densidad también depende de su composición.
El latón es una aleación sustitucional que se utiliza para decoración debido a que su brillo le da un aspecto similar al del oro, para aplicaciones en que se requiere baja fricción, como cerraduras, válvulas, etc.
Bronce:
Bronce es toda aleación metálica de cobre y estaño en la que el primero constituye su base y el segundo aparece en una proporción del 3 al 20 por ciento. Las aleaciones constituidas por cobre y zinc se denominan propiamente latón; sin embargo, dado que en la actualidad el cobre se suele alear con el estaño y el zinc al mismo tiempo, en el lenguaje no especializado la diferencia entre bronce y latón es bastante imprecisa. El bronce fue la primera aleación de importancia obtenida por el hombre y da su nombre al período prehistórico conocido como Edad del bronce. Durante milenios fue la aleación básica para la fabricación de armas y utensilios, y orfebres de todas las épocas lo han utilizado en joyería, medallas y escultura. Las monedas acuñadas con aleaciones de bronce tuvieron un protagonismo relevante en el comercio y la economía mundial. Cabe destacar entre sus aplicaciones actuales su uso en partes mecánicas resistentes al roce y a la corrosión, en instrumentos musicales de buena calidad como campanas, gongs, platillos de acompañamiento, saxofones, y en la fabricación de cuerdas de pianos, arpas y guitarras.
E. ALEACIONES DE BERILIO: El berilio es más ligero aunque el aluminio y más indeformable que los aceros. Se utiliza en instrumentos de precisión que no deben deformarse ni en las condiciones más extremas. Es en el desarrollo de satélites de comunicaciones donde tiene su principal utilidad. El berilio tiene grandes inconvenientes. Es poco abundante y difícil de extraer. Es muy reactivo y altamente tóxico.
F. ALEACIONES DE TITANIO:
El titanio es un metal de densidad relativamente baja (4.54 g.cm3) pero con una alta resistencia, le permite competir con tanto con metales ligeros como el aluminio (Al) como con los metales pesaros hierro (Fe). Entre sus propiedades más útiles se encuentra también su alta resistencia a la corrosión química de cualquier tipo, así como su buen comportamiento a altas temperatura (Tf =1686 °C), debido a estas características se emplea en la industria aeroespacial, reactores químicos, implantes biomédicos, industria petrolíferas, componentes marinos, etc.
G. ALEACIONES DE NIQUEL Y COBALTO: El níquel resiste muy bien la corrosión (especialmente en medios alcalinos) y la oxidación a altas temperaturas. Pero se trata de un elemento muy pesado (8.90 g.cm3) y es caro, se utiliza en estado puro para componentes electrónicos y en equipos para procesado de alimentos. Contienen un 30% de cobre (Cu), lo que aumenta su resistencia y su soldabilidad y disminuye su precio. Suelen añadirse también pequeñas cantidades de Aluminio (Al) y titanio (Ti) para mejorar su endurecimiento por precipitación. Cobalto es también muy duro y resistente a la temperatura y corrosión., se utilizan sus aleaciones con cromo (Cr) en la fabricación de trajes protectores, especialmente por su resistencia al ataque por los fluidos humanos.
H. SUPERALEACIONES: Son aleaciones de niquel (Ni), cobalto o hierro – níquel que contienen elementos aleantes como titanio (Ti), cromo (Cr), niobio (Nb), tantalio (Ta). Son los materiales que se utilizan en turbinas que deben estar expuestas a medios oxidantes, a temperaturas muy elevadas y durante periodos de tiempo largos. Para lograr la resistencia deseada en estos materiales suele recurrirse a tres tipos de diferentes métodos:
Formación de soluciones solidas: Se añaden cantidades importantes de cromo (Cr), molibdeno (Mo), tungsteno (W) hasta el 15% y menores tantalio (Ta), zinc (Zr), niobio (Nb), boro (B) que disminuyen en la velocidad de difusión.
Dispersión de carburos: El carbono forma partículas finas de carburos, que interfieren con los movimientos de la dislocación de partículas e impiden los deslizamientos.
Precipitación: Se añaden pequeñas cantidades de titanio (Ti) y aluminio (Al), para provocar la precipitación de partículas “y”. Estos compuestos tienen la misma estructura que la matriz de niquel y aumenta su resistencia al disminuir su energía superficial.
4) PROPIEDADES ALEACIONES:
Y
CARACTERÍSTICAS
GENERALES
DE
LAS
A. Las aleaciones presentan brillo metálico y alta conductividad eléctrica y térmica, aunque usualmente menor que los metales puros. Las propiedades físicas y químicas son, en general, similares a la de los metales, sin embargo las propiedades mecánicas tales como dureza, ductilidad, tenacidad y otras pueden ser muy diferentes, de ahí el interés que despiertan estos materiales. B. Las aleaciones no tienen una temperatura de fusión única, dependiendo de la concentración, cada metal puro funde a una temperatura, coexistiendo simultáneamente la fase líquida y fase sólida como se puede apreciar en los diagramas de fase.
C. Hay ciertas concentraciones específicas de cada aleación para las cuales la temperatura de fusión se unifica. Esa concentración y la aleación obtenida reciben el nombre de eutéctica, y presenta un punto de fusión más bajo que los puntos de fusión de los componentes. D. Si uno de los metales es el mercurio la aleación se llama” amalgama”. El mercurio se combina con todos los metales comunes, excepto hierro y platino, formando dichas aleaciones llamadas amalgamas. E. La amalgamación es un proceso metalúrgico que utiliza mercurio para disolver plata u oro formando una amalgama. Este sistema a sido sustituido en gran medida por el proceso con cianuro, en el que se disuelve oro o plata en disoluciones de cianuro de sodio o potasio. En los diversos procesos de lixiviación o pre colación se emplean diferentes disoluciones acuosas para disolver metales contenidos en los minerales. F. Los carbonatos y sulfuros metálicos se tratan mediante calcinación, calentándolos hasta una temperatura por debajo del punto de fusión del metal. G. En el caso de los carbonatos el proceso depende del dióxido de carbono, y queda un oxido metálico. Cuando se calcinan sulfuros, el azufre se combina con el oxígeno del aire para formar dióxido de azufre gaseoso, y también resulta un oxido metálico. Los óxidos se reducen después por fundición. H. El fósforo es favorable para el forjado en caliente, pero hace quebradizo al hierro en frió cuando se encuentran en gran cantidad. También disminuye el punto de fusión del hierro. I. Las aleaciones metálicas están formadas por un agregado cristalino de dos o más metales con los metaloides. Las aleaciones se obtienen fundiendo los diversos metales en un mismo crisol y dejando luego solidificar liquida formando una estructura granulada cristalina apreciable. J. Con frecuencia las propiedades de las aleaciones son muy distintas de las de sus elementos constituyentes, y algunas de ellas, como la fuerza y la resistencia a la corrosión, pueden ser considerablemente mayores en una
aleación que en los metales por separado. Por esta razón, se suelen utilizar más las aleaciones que los metales puros. El acero es más resistente y más duro que el hierro forjado, que es prácticamente hierro puro, y se usa en cantidades mucho mayores. Los aceros aleados, que son mezclas de acero con metales como cromo, manganeso, molibdeno, níquel, volframio y vanadio, son más resistentes y duros que el acero en sí, y muchos de ellos son también más resistentes a la corrosión que el hierro o el acero. K. Las aleaciones pueden fabricarse con el fin de que cumplan un grupo determinado de características.
5) APLICACIONES: A. EN LA INGENIERIA CIVIL: En la ingeniería civil se utiliza bastante diferentes aleaciones que hacen que una construcción sea estable o más segura en muchos casos la ingeniería hace caso omiso al uso de diferentes aleaciones lo cual trae como consecuencia una mala edificación que no perdurara por mucho tiempo Hoy en día la innovación en la industria ha evolucionado mucho creando reactivos nuevos elementos que ayudan que la construcción haciéndolas más fuertes resistentes y duraderas. Se trata especialmente a su eficiencia para resistir las cargas laterales de viento o sismo, cuya importancia crece a medida que aumenta la altura del edificio. Lo ideal sería que el sistema estructural que se requiere y que representa la solución óptima para resistir las cargas verticales de diseño, resultase suficiente para resistir también sin modificación alguna también las cargas
EN LA CONSTRUCCIÓN DE PUENTES O DE EDIFICIOS:
El acero puede tener múltiples papeles. Sirve para armar el hormigón, reforzar los cimientos, transportar el agua, el gas u otros fluidos. Permite igualmente formar el armazón de edificios, sean estos de oficinas, escuelas, fabricas, residenciales o polideportivos.
EN LA CONSTRUCCIÓN DE CIMIENTOS:
En los cimientos se utiliza una gran cantidad de aleaciones, los cimentos es la base de una construcción lo cual debe de tener material de primera y de buena resistencia
EN LA CONSTRUCCIÓN DE FACHADAS:
En los acabados arquitectónicos se utiliza un tipo de aleación muy específica la cual requiere muchas veces que la aleación sea de alta dureza y resistencia y que no posea un peso excesivo.
B. APLICACIONES GENERALES:
EN EL SECTOR DE LA AUTOMOCIÓN:
Este sector constituye el segundo mercado acero, después de la construcción y las obras publicas. Chasis y carrocerías, piezas de motor, de la dirección o de la transmisión, instalaciones de escape, carcasas de neumáticos, el acero representa del 55 al 70% del peso de un automóvil.
EN LO COTIDIANO: LATAS, BOTES, BIDONES:
Numerosos envases son fabricados a partir de hojas de acero, revestidas en ambas caras de una fina capa de estaño que les hace inalterables. Denominados durante largo tie mpo “hierro blanco” (debido al blanco del estaño), los aceros para envase se convierten en latas de conserva o de bebidas y también en botes de aerosol para laca, tubos para carmín de labios, botes, y latas o bidones para pinturas, grasas, disolventes u otros productos que requieren un medio hermético de conservación.
EN EL CORAZÓN DE LA CONSERVACIÓN ALIMENTARÍA:
El acero no aleado, llamado al carbono, requiere una protección contra la corrosión: una capa de zinc y pintura para la carrocería de automóvil, una capa de estaño y barniz para las latas de conserva o de bebidas.
EN LA COMUNICACIÓN:
Los componentes electrónicos utilizados en la informática o en las telecomunicaciones, así como los elementos funcionales del tubo de los televisores en colero, son piezas delicadas con exigencias particulares: por ello, se fabrican en aleaciones adaptadas a cada caso en específico.
EN LA ENERGÍA:
El petróleo y la industria nuclear requieren infraestructuras, equipos y redes de conductos de fluidos muy específicos. El acero se muestra como un material clave en este mundo que, como la industria química, debe hacer frente a numerosos desafíos: medios altamente corrosivos, altas temperaturas, condiciones mecánicas altamente exigentes.
6) CONCLUSIONES: A. Observamos diariamente, los metales y sus aleaciones son materiales indispensables, bastará con visualizar la cocina de nuestra casa para darnos cuenta que las ollas, cuchillos, cubiertos, la estufa, y muchas otras herramientas que utilizamos, provienen de éste grupo de materiales. La industria en general aprovecha éstos materiales, decisión nuestra es analizar, considerando diversas variables, si nos conviene manejar un metal puro o una aleación. B. Uno de los metales más importantes es el acero. Encontrado en diferentes objetos a nuestro alrededor. Y en la construcción es mucho más valiosa. El uso del acero en la construcción es muy importante, ya que este es que le proporciona a las estructuras el refuerzo adicional, por ende es llamado el esqueleto de las estructuras. C. Existen hoy cerca de 3000 matices (composiciones químicas) catalogadas, sin contar aquellas que son creadas a media, todo lo cual contribuye a hacer que el acero sea el material mejor situado para afrontar los desafíos del futuro.
7) IMÁGENES: