¡Descarga Propiedades, Aleaciones y Destrucción de los Metales y más Resúmenes en PDF de Tecnología de Materiales solo en Docsity!
TEMA 1 MATERIALES METÁLICOS
Introducción, generalidades y propiedades.
Estructura y obtención.
Aleaciones.
Materiales metálicos más importantes.
Destrucción y alteración de metales
1, INTRODUCCIÓN, GENERALIDADES Y PROPIEDADES.
Desde la prehistoria, los metales y las aleaciones se han utilizado con distintos fines, p.ej. armas, útiles de cocina, aperos de labranza... A partir del siglo XIX se introduce en otros campos, p.ej. la construcción. Los metales son el grupo de elementos químicos más numeroso. Se dividen entre metales pesados, con una densidad de más de 4,500 kg/m3 (plomo, cobre, cinc, hierro) y metales ligeros, con una densidad baja (aluminio, magnesio). Como el hierro es el metal más utilizado en industria y construcción, se distingue también entre metales ferrosos y no ferrosos. El éxito de los metales se debe a sus características: Sus materias primas son muy abundantes en la corteza terrestre. Su trabajabilidad y facilidad de conformación son muy asequibles (es fácil darles forma). Son materiales muy resistentes ante cualquier tipo de esfuerzo (tensión, fuerza): tracción, compresión o torsión. Tienen la cualidad de soportar deformaciones considerables, volviendo a su posición natural cuando cesan las fuerzas que las provocan (dentro de su límite elástico). Sus materias primas son muy abundantes en la corteza terrestre (aparecen como óxidos, que hay que tratar).
Los metales más utilizados son: hierro, cobre, plomo, estaño, aluminio, zinc. Los óxidos de metales se usan como pigmentos colorantes. PROPIEDADES
1 Elevada resistencia mecánica a la rotura ante distintos tipos de esfuerzos;
- Elasticidad. Es la capacidad de un material de deformarse sin que se rompa, recuperando el estado inicial una vez que cesan las cargas que originan la deformación. En los metales es muy alta comparada con los materiales pétreos o cerámicos, pero muy baja comparada con los plásticos.
- Plasticidad. Esta propiedad indica la aptitud o capacidad de los materiales para sufrir deformaciones permanentes (al menos en parte) una vez que cesan las cargas que las han producido. Podemos distinguir:
- maleabilidad: cuando un metal es fácilmente deformable hasta reducirlo a láminas y hojas delgadas bajo la acción de fuerzas externas;
- ductilidad: facilidad de un metal de dejarse conformar como alambres o hilo mediante estiramiento a tracción.
- Altas conductividades eléctricas y térmicas y elevado coeficiente de dilatación térmico
Altos puntos de fusión. En los metales, el paso de estado sólido a líquido no se produce directamente, sino que cambia su estructura cristalográfica, y pasa por una serie de estados pastosos semilíquidos, con unas propiedades particulares.
Fluencia plástica. Esta es una propiedad característica de los metales y depende de la temperatura. Cuando un metal se somete a un esfuerzo, reacciona con una deformación plástica acompañada de una repentina pérdida de la capacidad de carga. Aunque los metales no sean combustibles, la fluencia obliga a protegerlos eficazmente contra el fuego.
Otras propiedades: dureza, tenacidad, forjabilidad, soldabilidad
ESTRUCTURA Y OBTENCIÓN
Enlace metálico: es el que forma un metal consigo mismo o con otro metal. En los metales en estado sólido los átomos se encuentran empaquetados en una ordenación sistemática o estructura cristalina. Los átomos están tan juntos que sus electrones externos son atraídos por los núcleos de sus átomos vecinos. Por tanto no están asociados a un núcleo único sino que se extienden entre los átomos en forma de nube electrónica de carga negativa y baja densidad. Estos electrones están débilmente enlazados a los núcleos de iones positivos y pueden moverse con relativa facilidad dentro del metal cristalino. Esta estructura metálica proporciona unas características como la dureza, plasticidad o la conductividad. De ahí las altas conductividades térmicas y eléctricas de los metales. La mayoría de los metales pueden deformarse considerablemente sin fracturas, debido a que los átomos pueden deslizarse unos sobre otros sin distorsionar la estructura cristalina del enlace metálico. OBTENCIÓN Los metales rara vez se encuentran nativos en la naturaleza, al menos en cantidad suficiente para poder ser empleados industrialmente. Los únicos que se encuentran en la naturaleza en estado puro son son los metales preciosos, como el oro, la plata o el platino. El resto de los metales se hayan combinados químicamente con otros elementos (oxígeno, azufre o carbono) en los distintos minerales. formando la mena (mineral: óxido de hierro, sulfato,...), a la que acompañan otras sustancias de naturaleza térrea, llamada ganga (acompaña a la mena pero no vale, es similar al cemento), el conjunto de la mena y la ganga es lo que constituye la roca. Para obtener el metal hay que efectuar con los minerales una serie de operaciones, que consisten en separar la mena de la ganga y que luego aísla el metal. La destrucción del paisaje que entraña la extracción de los minerales, así como la cantidad de energía necesaria para separar el mineral del metal, derivan en un alto grado de contaminación medioambiental y gastos económicos importantes. Por lo tanto, las ventajas e inconvenientes del uso de los metales se deben sopesar con cuidado. Por otra parte, la reutilización de los metales ha experimentado grandes progresos. El hecho de integrarlos en los ciclos materiales disminuye su impacto medioambiental. La metalurgia trata de las operaciones mecánicas y químicas necesarias para la extracción de los metales de los minerales; el estudio de las propiedades de los metales en relación a sus aplicaciones. Cuando se trata de obtener hierro se llama siderurgia.
· Propiedades químicas: El hierro tiene gran tendencia a la oxidación, formando una fina capa de óxido en la superficie. Pero en ambientes húmedos es cuando se dan fenómenos de corrosión que son mucho más agresivos en general que los de oxidación, cuyos efectos son realmente serios. Llamamos hierro batido al obtenido a partir de una sustancia férrea a la que mediante un trabajo de forja se le da cohesión y se elimina las impurezas. ACERO En la práctica no se utiliza hierro puro, por su escasa resistencia y sus problemas de oxidación y corrosión. Pero combinado con otros elementos se consigue mejorar sus propiedades y corregir sus defectos. El acero es la aleación que más difusión tiene (el que más se conoce y el que más se estudia) por sus cualidades resistivas y su económica fabricación. La materia prima por excelencia del taller de forja es el acero, concretamente el acero dulce. Este metal tiene las mejores propiedades para ser modificado a base de golpes por medio de las técnicas de forja. A menudo, se llama coloquialmente hierro a lo que es técnicamente acero. La diferencia entre uno y otro radica en la cantidad de carbono que contengan. El hierro posee un porcentaje en carbono inferior al 0,05%. Para aumentra su dureza y elasticidad y poder aplicarle tratamientos térmicos, se alea con carbono. Se obtiene así el acero. En cambio, si el hierro se alea con carbono en proporción superior al 1,8 % se vuelve un material frágil y quebradizo, muy poco dúctil y maleable. En este caso obtenemos lo que se llama fundición, muy empleada para conseguir piezas por colada mediante un molde gracias a su gran fusibilidad. El acero para trabajar en la fragua debe presentar una serie de propiedades que lo hagan idóneo: ser fácil de moldear y poder ser estirado por medio de golpes para formar varillas. No debe ser demasiado duro ni demasiado dulce, es decir, su contenido en carbono debe estar en torno al 0,15%. Aparte del carbono se pueden emplear otros compuestos con el mismo fin llamándose entonces aleado o acero especial. Acero inoxidable: con al menos 10 % de Cr, Acero Corten: con Cu, Cr y Ni, además de una capa de óxido superficial que lo protege, Aceros para herramientas de corte: con Cr y W. Debido a su gran resistencia y a su peso elevado, la geometría de los elementos constructivos de hierro y acero se optimiza para lograr la máxima eficiencia estática mediante formas que reducen al mínimo la cantidad de material necesaria. ALUMINIO El aluminio es el metal más abundante de la corteza terrestre (8,13%). Se encuentra en varios minerales (bauxita: óxido de aluminio Al 2 O 3 ·2H 2 O, arcillas, etc). Tiene una densidad baja y, por consiguiente, es un metal ligero. La capa de óxido natural que se forma lo hace resistente a la intemperie; la técnica de oxidación industrial, llamada anodizado, refuerza esta capa y puede darle color. El aluminio es apto para todos aquellos usos en los que se requiera un peso reducido y resistencia a la intemperie, especialmente para elementos de fachada.
Propiedades físicas:
Su color natural en estado puro es blanco y sus principales cualidades físicas son:
Su baja densidad, sobre todo en comparación con otros metales Gran conductividad Es muy maleable Otras propiedades físicas con: Densidad de 2,70 kg/dm^3 Punto de fusión 685 ºC Punto de ebullición 2.200 ºC Propiedades químicas:
· Es uno de los metales con mayor tendencia a la oxidación (se oxida muy fácilmente). · Paradójicamente resiste muy bien la acción oxidante de la atmósfera. Esto es así porque se forma una fina capa de óxido que aísla y protege posteriormente al resto del metal. Hay que tomar precauciones con amoniaco, lejías, ácidos fuertes o agua de mar (por la gran corrosión que produce). Propiedades mecánicas:
· Es un material muy trabajable, se lamina y se estira fácilmente · Se puede deformar por forja sin grandes esfuerzos. · El aluminio puro posee una resistencia moderada por lo que es habitual fabricarlo aleado con otros metales, mejorando sus prestaciones sin incrementar apenas el peso. COBRE Desde la prehistoria se ha empleado como útil de corte y también como arma en sustitución del sílex. La diferenciación de que se empleara el cobre en lugar de otros metales es su estado en la naturaleza. Se puede encontrar el mineral puro y es de fácil trabajabilidad. La obtención actual del cobre puede venir de tres fuentes: óxidos de cobre (cuprita, malaquita,...), cobre puro, sulfuros de cobre.
Propiedades físicas:
Metal de color rojizo brillante cuyo rasgo más destacado es la elevada conductividad térmica y eléctrica que junto a su moderado precio hace que sea universalmente utilizado en cableado eléctrico. Otras propiedades físicas son: Densidad 887 kg / dm^3 Punto de fusión 1083 ºC Propiedades químicas:
Solo se oxida en superficie, adquiriendo un color verde. Buena resistencia a la intemperie. Se alea fácilmente Propiedades mecánicas:
Es muy maleable, se pueden hacer láminas de hasta 002 mm de espesor; también es muy dúctil pudiendo estirarse en hilos finos. Aleaciones más importantes:
electrones que capta el oxígeno. De este modo se depositan moléculas de óxido en la superficie que con el tiempo van a formar una capa. En algunos casos esta capa actúa como una película aislante contra el exterior (el aire) reduciendo drásticamente este fenómeno destructivo, p.ej: el aluminio, o de forma artificial con los aceros inoxidables al cromo. A este fenómeno se le llama pasivado, delgadas películas de óxidos y derivados del propio metal muy impermeable al agua, oxígeno u otros. Impiden que progrese la corrosión. En general la oxidación es un proceso que se acentúa con el aumento de la temperatura aunque en el rango de temperaturas ambientales no llega a ser excesivamente peligroso (es peligroso cuando se somete a altas temperatura como en forja o en fundición).
- CORROSIÓN u oxidación húmeda Otro peligro de reacción química viene dado por la corrosión, que es otra forma de oxidación en la que el oxígeno viene asociado con otros compuestos químicos como puede ser el agua, hidratos, sulfatos, Sus efectos son mucho más destructivos que la oxidación, originándose pérdida de masa y por tanto una disminución muy importante de su resistencia mecánica, afectando a su estructura. El ataque a los metales por la contaminación ambiental, debido a la presencia de gases, no tendría lugar o sería despreciable si no fuese por la presencia en la superficie del metal de agua o de disoluciones acuosas que al disolver los gases contaminantes se convierten en atacantes activos. Los contaminantes como el azufre o el cloro en la atmósfera o medio en donde se encuentre inmerso el metal constituyen acelerantes o desencadenantes de procesos de corrosión más o menos graves. Entre los agentes de alteración mas importantes están el oxígeno atmosférico, que desencadena la primera fase de corrosión, reaccionando sus correspondientes óxidos e interviniendo en la formación de otros subproductos de corrosión como los hidróxidos u otros de carácter ácido o básico.La corrosión electrolítica de los metales, también llamada corrosión húmeda, se produce cuando el metal se halla en contacto con el agua o disoluciones acuosas (lo que tiene lugar es una reacción de oxidación-reducción). Es por tanto un proceso electrolítico o electroquímico de oxidación-reducción (redox) que se acentúa en disolución. Es por tanto más agresivo. Los fenómenos de corrosión húmeda se denominan también corrosión electroquímica, favorecidos por el agua, se dan cuando existen metales unidos con distinto potencial de corrosión y unidos mediante un electrolito que favorece el transporte de electrones, creándose un ánodo en el metal con mayor tendencia a la disolución y un cátodo en el metal más noble.
- TRATAMIENTOS SUPERFICIALES Estos tratamientos se realizan para evitar las posibles causas de alteración de los metales. La superficie de los metales es el límite entre ellos y el ambiente agresivo. Por tanto un tratamiento superficial suele ser un método adecuado de protección contra la corrosión. Los tratamientos pueden ser los siguientes:
- Pulir la superficie de los metales, con ello minimizamos las superficies de ataque. Esto nos da una mayor eficacia de la capa protectora.
- Procurar evitar los efectos mecánicos (roces, golpes, ...)
- Protección mediante recubrimientos.
- Protección por capa química. Provocando la reacción de las piezas con un agente químico que forme compuestos insolubles en su superficie (pátinas o convertidores). Para preservar a los metales de su proceso natural de oxidación es necesario impregnarlos con sustancias adherentes que eviten el contacto de la superficie con el aire o la humedad del
ambiente. Estas sustancias se aplican de forma manual por medio de trapos, pinceles y brochas.. En caso de alteraciones ya evidentes se limpian los productos de corrosión, mecánicamente por proyección de áridos o químicamente mediante productos adecuados y lavar la superficie. Los productos convertidores (transformadores o reformadores) funcionan convirtiéndo los óxidos de hierro (herrumbre) en una capa protectora química. Los compuestos de estos poductos interactúan con los óxidos de hierro convirtiéndolos en una capa negra adherente, que es más resistente a la humedad y protege la superficie para detener la corrosión. Suelen estar formados por ácido tánico y un polímero orgánico. El ácido tánico reacciona con el óxido de hierro rojizo formando un compuesto (tanato férrico negro azulado) que constituye una capa más estable. El segundo ingrediente es un disolvente orgánico que actúa como agente humectante, es decir, ayuda a transportar el producto a los poros del óxido y proporciona una capa protectora de imprimación junto con el polímero orgánico. El problema con estos productos es que si la capa de óxido es muy gruesa y pesada no siempre pueden alcanzar el metal base. Esto significa que la humedad y el aire quedan atrapados bajo la película protectora, lo que lleva a una oxidación interior y a que falle la capa de acabado. BIBLIOGRAFÍA INTERESANTE. Conservación de Metales de interés cultural. Francisca Gómez Moral.
