hierro y sus aleaciones
DESCRIPTION
(Fe) HierroTRANSCRIPT
1
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 aluminio es más abundante;
y es el primero más abundante en masa planetaria, debido a que el planeta en su núcleo,
se concentra la mayor masa de hierro 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.
ii
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:
Hierro-α: estable hasta los 911 °C. El sistema cristalino es una red cúbica centrada
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 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 de diferentes tipos de hierro.
iii
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 obtención 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 hierro, 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— 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 enorme 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.
iv
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.
v
Acero medio en carbono: 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 % y 1,4 % de C en 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 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 en carbono oscila entre 0.02 % y 0,8
%.
Los aceros eutectoides cuyo contenido en carbono es de 0,8 %.
Los aceros hipereutectoides con 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 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.
vi
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 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 aligerar 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.
vii
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 de carbono es de 0,25%, tiene 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 media de buena tenacidad, deformación en frío,
embutición, plegado, herrajes, entre otras.
Acero semidulce: El porcentaje de carbono es de 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 y tenaces, pernos,
tornillos, herrajes.
Acero semiduro: El porcentaje de carbono es de 0,45%. Tiene una resistencia
mecánica de 62-70 kg/mm2 y una dureza de 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, piezas bastante resistentes, cilindros
de motores de explosión, transmisiones, entre otras.
Acero duro: El 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, tensores y piezas regularmente cargadas y de
espesores no muy elevados.
viii
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 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 comunes son:
D6AC.
300M.
256.
Tabla 3.2 Principales aceros de baja aleación.
ix
Figura 3.4 Acero de baja aleación.
3.2.2 ACEROS ESPECIALES
ACEROS NO ALEADOS ESPECIALES
Son aquellos que presentan una mayor pureza 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, soldabilidad o tenacidad.
ACEROS ALEADOS ESPECIALES
Son aquellos caracterizados por un control preciso de su composición química y de unas
condiciones particulares de elaboración y control para asegurar unas propiedades
mejoradas. Entre estos tipos de acero se encuentran los siguientes:
Aceros aleados destinados a la construcción mecánica y aparatos de presión.
Aceros para rodamientos.
Aceros para herramientas.
x
Aceros rápidos.
Otros aceros con características físicas especiales, como aceros con 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 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 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
xi
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 dependerá 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 aleación,
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.
xii
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 colada 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.
xiii
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.
xiv
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 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.
xv
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 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.
xvi
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 usuales 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.
17
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, así como
excelentes características elásticas. Son resistentes a la corrosión 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 láminas de 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 en la construcción de
diversos dispositivos como giroscopios, equipo informático, muelles de relojería e
instrumental diverso.
El óxido de berilio se emplea cuando son necesarias elevada conductividad térmica
y propiedades mecánicas, punto de fusión elevado y aislamiento eléctrico.
Antaño se emplearon compuestos de berilio en tubos fluorescentes, uso
abandonado por la beriliosis.
Fabricación de Tweeters en altavoces de la clase High-End, debido a su gran
rigidez.
El principal uso del berilio metálico se encuentra en la manufactura de aleaciones berilio-
cobre y en el desarrollo 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.
xviii
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 cobre
contiene grandes cantidades de elementos de aleación en solución con el cobre, tal como
aparece en los diferentes diagramas de equilibrio 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.
xix
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
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 de los elementos que lo 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:
xx
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.
xxi
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).
Aleaciones magnéticas (de20 a 90% Ni).
Aleaciones no magnéticas (10a 20% Ni).
Aceros revestidos de acero inoxidable (de 5 a 49% Ni).
Súper aleaciones en base de hierro (de 0.2 a 9%Ni.
Aleaciones de dilatación térmica controlada 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 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.
xxii
APLICACIONES
Entre sus aplicaciones comerciales más importantes están:
Aleaciones para uso a temperaturas elevadas.
Aleaciones magnéticas (ej.: AlNiCo) para la fabricación de imanes y electroimanes.
Aleaciones para máquinas y herramientas (ej.: Stellite).
Sellos vidrio a metal.
Aleaciones para 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 atómico 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.
xxiii
ALEACIONES DE TITANIO
Las aleaciones más conocidas son las siguientes:
Ti grado 2, 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 eléctrica 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, 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 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 composición química 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 siguiente composición química: 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, 2, 3 y 4 incluyen el llamado titanio puro con una composición superior
al 99% de Ti.
Ti grado 5 y 9 son aleaciones resistentes a la corrosión y una resistencia mecánica
media.
Ti grado 7, 11 y 12 son aleaciones muy resistentes a la corrosión.
xxiv
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.
xxv
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 cual 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.
xxvi
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.wordpress.com/2009/02/metales-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://e-
ducativa.catedu.es/44700165/aula/archivos/repositorio//1000/1015/html/2_el_proceso_d
e_obtencin_del_hierro.html