Clasificación de los metales según su uso
La mayoría de los metales no se emplea en estado puro sino en aleaciones; es decir, formando una mezcla homogénea con otros metales o no metales, obtenida a partir de la fusión de ambos.
De entre todos los metales sobresalen el hierro y sus aleaciones porque suponen el 90 % de la producción mundial de metales. Esto es consecuencia de las ventajas que tiene el hierro para la industria: es abundante, es barato y mejora sus propiedades al formar aleaciones. Por esta razón clasificaremos los metales en:
*
Metales férricos: corresponde al grupo de aleaciones cuyo componente principal es el hierro.
* Metales no férricos: son los metales puros y las aleaciones de metales que no tienen hierro en su composición.
Los materiales se clasifican generalmente en cinco grupos: metales, cerámicos, polímeros, semiconductores y materiales compuestos. Los materiales de cada uno de estos grupos poseen estructuras y propiedades distintas.
- Metales. Tienen como característica una buena conductividad eléctrica y térmica, alta resistencia, rigidez, ductilidad. Son particularmente útiles en aplicaciones estructurales o de carga. Las aleaciones (combinaciones de metales) conceden alguna propiedad particularmente deseable en mayor proporción o permiten una mejor combinación de propiedades.
- Cerámicos. Tienen baja conductividad eléctrica y térmica y son usados a menudo como aislantes. Son fuertes y duros, aunque frágiles y quebradizos. Nuevas técnicas de procesos consiguen que los cerámicos sean lo suficientemente resistentes a la fractura para que puedan ser utilizados en aplicaciones de carga. Dentro de este grupo de materiales se encuentran: el ladrillo, el vidrio, la porcelana, los refractarios y los abrasivos.
- Polímeros. Son grandes estructuras moleculares creadas a partir de moléculas orgánicas. Tienen baja conductividad eléctrica y térmica, reducida resistencia y debe evitarse su uso a temperaturas elevadas. Los polímeros termoplásticos, en los que las cadenas moleculares no están conectadas de manera rígida, tienen buena ductibilidad y conformabilidad; en cambio, los polímeros termoestables son más resistentes, a pesar de que sus cadenas moleculares fuertemente enlazadas los hacen más frágiles. Tienen múltiples aplicaciones, entre ellas en dispositivos electrónicos.
- Semiconductores. Su conductividad eléctrica puede controlarse para su uso en dispositivos electrónicos. Son muy frágiles.
- Materiales compuestos. Como su nombre lo indica, están formados a partir de dos o más materiales de distinto grupos, produciendo propiedades que no se encuentran en ninguno de los materiales de forma individual.
Ahora, comencemos con el grupo de los metales.
De los elementos que figuran en la tabla periódica, alrededor de 80 pueden ser clasificados como metales. Todos ellos tienen en común que sus electrones más externos en un átomo neutro son cedidos fácilmente. Esta característica es la causa de su conductividad, tanto eléctrica como térmica, de su brillo y maleabilidad.
El uso de metales puros es limitado, pues son blandos o tienden a corroerse. Sin embargo, toleran un considerable cantidad de elementos en estado sólido o líquido. Así, la mayor parte de los materiales metálicos comúnmente usados son mezclas de dos o más metales elementales. Es posible realizar estas mezclas de varias maneras, pero casi siempre se obtienen por la unión de metales por arriba de su punto de fusión. Esa mezcla sólida de metales o metaloides se denomina aleación.
Latón (brass)
El latón es una aleación de cobre y zinc. Las proporciones de cobre y zinc pueden variar para crear una variedad de latones con propiedades diversas.Su composición influye en las características mecánicas, la fusibilidad y la capacidad de conformación por fundición, forja, troquelado y mecanizado.
El latón es conocido por el ser humano desde épocas prehistóricas. Entonces se producía mediante la mezcla de cobre con calamina, una fuente natural de zinc.
El latón es más duro que el cobre, pero fácil de mecanizar, troquelar y fundir, es resistente a la oxidación, a las condiciones salinas y es dúctil, por lo que puede laminarse en planchas finas. Su maleabilidad varía según la composición y la temperatura, y es distinta si se mezcla con otros metales, incluso en cantidades mínimas.
Bornes de la bateria, arandelas.Termostatos, guías de válvula, casquillos, conexiones y una variedad de piecerío menor en conjuntos y subconjuntos mecánicos, eléctricos y electrónicos. El metal ideal en la fabricación de radiadores es el cobre por su facilidad de transmitir calor, pero porrazones económicas se emplea el latón.
Las propiedades del latón dependen principalmente de la proporción de zinc que presente, así como la adición de pequeñas cantidades de otros metales esto es conveniente para darle distintos usos.
El latón, teniendo varias combinaciones de resistencia y ductilidad, resistencia a la corrosión, maquinado, conductividad y muchos otros atributos es ampliamente usado en la manufactura de componentes y productos terminados. Los materiales alternativos se pueden considerar, pero es necesario recordar que el criterio principal a ser evaluado, es aquel que tiene que ver en general con la duración y el costo relacionado con él, más que con el costo primario de la materia prima.
Pureza y aleaciones
El latón es una aleación de cobre y zinc. Las proporciones de cobre y zinc pueden variar para crear una variedad de latones con propiedades diversas. En los latones industriales el porcentaje de Zn se mantiene siempre inferior al 20%.
En función de su porcentaje de Zn, se reconocen tres grupos principales de latones.
- Latones de primer título, con porcentaje de Zn inferior a 33%
- Latones de segundo título, con porcentaje de Zn de 33 a 49%
- Latones de tercer título con porcentajes de Zn superior a 49% sin apenas aplicaciones industriales.
Aluminio (aluminium)
Se trata de un metal no ferromagnético. Es el tercer elemento más común encontrado en la corteza terrestre. El aluminio se usa en forma pura, aleado con otros metales o en compuestos no metálicos.Por sus propiedades eléctricas es un buen conductor, capaz de competir en coste y prestaciones con el cobre tradicional.
Casi la totalidad de los productos de aluminio pueden desde un punto de vista técnico (factibilidad) y económico (rentabilidad) ser reciclados repetidamente para producir nuevos productos, sin perder el metal su calidad y propiedades.
Ligero, fuerte y de larga duración; Altamente resistente a la corrosión; Infinitamente reciclable.
El aluminio, es el metal más utilizado en la fabricación de automóviles actuales después del acero.
Capós, aletas, paneles de puerta e incluso techos.Llantas, bloque motor.
La utilización de este metal reduce ruido y vibración,el aluminio absorbe energía cinética lo cual evita, que en un accidente, la reciban los pasajeros.El aluminio no se oxida como el acero; esto significa que los vehículos, en zonas climatológicas de gran humedad tengan una vida más larga. Los autos con cuerpo de aluminio duran tres o cuatro veces más que los que tienen un chasis de acero.
Propiedades físicas del aluminio
El aluminio es un elemento muy abundante en la naturaleza, sólo aventajado por el oxígeno. Se trata de un metal ligero, con una densidad de 2700 kg/m3, y con un bajo punto de fusión (660 °C). Su color es blanco y refleja bien la radiación electromagnética del espectro visible y el térmico. Es buen conductor eléctrico (entre 35 y 38 m/(Ω mm2)) y térmico (80 a 230 W/(m·K)).
Propiedades químicas del aluminio
La capa de valencia del aluminio está poblada por tres electrones, por lo que su estado normal de oxidación es III. Esto hace que reaccione con el oxígeno de la atmósfera formando con rapidez una fina capa gris mate de alúmina Al2O3, que recubre el material, aislándolo de ulteriores corrosiones. Esta capa puede disolverse con ácido cítrico. A pesar de ello es tan estable que se usa con frecuencia para extraer otros metales de sus óxidos. Por lo demás, el aluminio se disuelve en ácidos y bases. Reacciona con facilidad con elácido clorhídrico y el hidróxido sódico.
Pureza y aleaciones
El aluminio puro es un material blando y poco resistente a la tracción. Para mejorar estas propiedades mecánicas se alea con otros elementos, principalmente magnesio,manganeso, cobre, zinc y silicio, a veces se añade también titanio y cromo.
Hierro (iron)
Este metal de transición es el cuarto elemento más abundante en la corteza terrestre, representando un 5% y, entre los metales, sólo el aluminio es más abundante. Ha sido históricamente muy importante, y un período de la historia recibe el nombre de Edad de Hierro.
Es un metal maleable, de color gris plateado y presenta propiedades magnéticas. Es extremadamente duro y denso.
El metal de hierro es fuerte, pero también es muy barato. Por lo tanto, es el metal de uso más común hoy en día.
Fundición de hierro para bloques de motor carcazas de cajas de cambio
Propiedades Físicas
Es muy buen conductor y buen disipador de calor
Propiedades Químicas
Tienen un electrón de valencia
Pureza y aleaciones
Las aleaciones férreas presentan una gran variedad de propiedades mecánicas dependiendo de su composición o el tratamiento que se haya llevado a cabo.Los aceros son aleaciones férreas con un contenido máximo de carbono del 2%. Algunas aleaciones no son ferromagnéticas. Éste puede tener otros aleantes e impurezas.
Bronce (bronze)
Bronce es toda aleación metálica de cobre y estaño,la cantidad de estaño hace variar la dureza de la aleación.
El bronce fue la primera aleación de importancia obtenida por el hombre y da su nombre al período prehistórico conocido como Edad del bronce. Se emplea en aplicaciones de transferencia del calor.
Se emplea para la fabricación de bujes que conforman partes mecánicas.
Propiedades Físicas
Típicamente bronce sólo oxida superficialmente; una vez que se forma una capa de óxido de cobre, el metal subyacente está protegido de la corrosión adicional. Sin embargo, si se forman cloruros de cobre, a la corrosión modo llamado "enfermedad de bronce" finalmente destruir por completo. Aleaciones a base de cobre tienen puntos de fusión más bajos que el acero o hierro, y se producen más fácilmente a partir de sus metales constituyentes.
Datos para una aleación promedio con 89 % de cobre y 11 % de estaño:
- Densidad: 8,90 g/cm³.
- Punto de fusión: de 830 a 1020 °C
- Punto de ebullición: de 2230 a 2420 °C
- Coeficiente de temperatura: 0,0006 K-1
- Resistividad eléctrica: de 14 a 16 µOhmio/cm
- Coeficiente de expansión térmica: entre 20 y 100 °C ---> 17,00 x 10-6 K-1
- Conductividad térmica a 23 °C: de 42 a 50 Wm-1
Propiedades químicas
El cobre y sus aleaciones tienen una gran variedad de usos que reflejan sus propiedades físicas, mecánicas, y químicas versátiles. Algunos ejemplos comunes son la alta conductividad eléctrica del cobre puro, las propiedades de baja fricción de cojinete de bronce, las cualidades de resonancia de campana de bronce, y la resistencia a la corrosión por agua de mar de varias aleaciones de bronce.
Pureza y aleaciones
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 %. Datos para una aleación promedio con 89 % de cobre y 11 % de estañoEl bronce fue la primera aleación de importancia obtenida por el hombre.
Metal galvanizado (metal galvanize)
El galvanizado o galvanización es el proceso electroquímico por el cual se puede cubrir un metal con otro.
Se denomina galvanización pues este proceso se desarrolló a partir del trabajo de Luigi Galvani, quien descubrió en sus experimentos que si se pone en contacto un metal con una pata cercenada de una rana, ésta se contrae como si estuviese viva; posteriormente se dio cuenta de que cada metal presentaba un grado diferente de reacción en la pata de rana, lo que implica que cada metal tiene una carga eléctrica diferente.
Más tarde ordenó los metales según su carga y descubrió que puede recubrirse un metal con otro, aprovechando esta cualidad (siempre depositando un metal de carga mayor sobre otro de carga menor).
Acero (steel)
El acero conserva las características metálicas del hierro en estado puro, pero la adición de carbono y de otros elementos tanto metálicos como no metálicos mejora sus propiedades físico-químicas.Cabe destacar que el acero posee diferentes constituyentes según su temperatura, concretamente, de mayor a menor dureza.
La diferencia principal entre el hierro y el acero se halla en el porcentaje del carbono.
Es un material muy tenaz, especialmente en alguna de las aleaciones usadas para fabricar herramientas.Relativamente dúctil. Con él se obtienen hilos delgados llamados alambres.Es maleable. Se pueden obtener láminas delgadas llamadas hojalata. Permite una buena mecanización en máquinas herramientas antes de recibir un tratamiento térmico.Algunas composiciones y formas del acero mantienen mayor memoria, y se deforman al sobrepasar su límite elástico.La dureza de los aceros varía entre la del hierro y la que se puede lograr mediante su aleación u otros procedimientos térmicos o químicos.Se puede soldar con facilidad.Posee una alta conductividad eléctrica.
Acero convencional (Aletas, paneles de puertas, portones traseros, etc).
Aceros de alta resistencia (bastidores inferiores, refuerzos y travesaños).
Aceros de muy alta resistencia ( estribo, el montante A, correderas
de asientos, cimbras de techo, largueros, traviesas, etc).
Aceros de ultra alta resistencia (refuerzos de pilar B y traviesas, habitáculo, motor)
El acero no tiene propiedades químicas especificadas, pero si tiene propiedades físicas.
Propiedades Físicas
Propiedades de los cuerpos: encontramos entre otras
Materia,Cuerpo,Estado de agregacion, Peso,Masa,Volumen,Densidad, pe... especifico(m/v).
Pureza y aleaciones
Acero: una aleación de hierro con una cantidad de carbono variable entre el 0,03% y el 1,075% en peso de su composición, dependiendo del grado.
Si la aleación posee una concentración de carbono mayor al 2,0% se producen fundiciones que, en oposición al acero, son mucho más frágiles y no es posible forjarlas sino que deben ser moldeadas.
Cobre (cooper)
Se trata de un metal de transición de color rojizo y brillo metálico, se caracteriza por ser uno de los mejores conductores de electricidad (el segundo después de la plata).
Gracias a su alta conductividad eléctrica, ductilidad y maleabilidad, se ha convertido en el material más utilizado para fabricar cables eléctricos y otros componentes eléctricos y electrónicos.
El cobre tiene una gran variedad de aplicaciones a causa de sus ventajosas propiedades, como son su elevada conductividad del calor y electricidad, la resistencia a la corrosión, así como su maleabilidad y ductilidad.
Radiadores, cables electricos,...
Propiedades físicas
Es un metal de transición, cuya densidad o peso específico es de 8920 kg/m3 .
Tiene un punto de fusión de 1083ºC (1356 aprox. K).
El peso atómico del cobre es de 63,54.
Es de color rojizo.
Buen conductor del calor.
Después de la plata es el de mayor conductividad eléctrica.
Material abundante en la Naturaleza.
Material fácil y barato de reciclar de forma indefinida.
Forma aleaciones para mejorar las prestaciones mecánicas.
Resistente a la corrosión y oxidación.
Propiedades químicas
En la mayoría de sus compuestos el cobre presenta estados de oxidación bajos, siendo el más común el +2, aunque también hay algunos con estado de oxidación +1.
Expuesto al aire, el color rojo salmón inicial se torna rojo violeta por la formación de óxido cuproso (Cu2O) para ennegrecerse posteriormente por la formación de óxido cúprico (CuO). La coloración azul del Cu2+ se debe a la formación del ion hexacobre [Cu(oh2)6]+2].
Expuesto largamente al aire húmedo forma una capa adherente e impermeable de carbonato básico de color verde, característico de sus sales, denominada «cardenillo» («pátina» en el caso del bronce) que es venenoso. Cuando se empleaban cacerolas de cobre para la cocción de alimentos no eran infrecuentes las intoxicaciones ya que si se dejan enfriar en la misma cacerola se originan óxidos por la acción de los ácidos de la comida que contaminan los alimentos.
Pureza y aleaciones
El cobre forma parte de una cantidad muy elevada de aleaciones que generalmente presentan mejores propiedades mecánicas, aunque tienen una conductividad eléctrica menor. Las más importantes son conocidas con el nombre de bronces y latones.
Desde el punto de vista físico, el cobre puro posee muy bajo límite elástico (33 MPa) y una dureza escasa (3 en la escala de Mohs).
En cambio, unido en aleación con otros elementos adquiere características mecánicas muy superiores, aunque disminuye su conductividad.
Enlace metálico
Un enlace metálico es un enlace químico que mantiene unidos los átomos.Se produce cuando se combinan metales entre sí. Los átomos de los metales necesitan ceder electrones para alcanzar la configuración de un gas noble.Estos átomos se agrupan de forma muy cercana unos a otros, lo que produce estructuras muy compactas.
Es un enlace fuerte, primario, que se forma entre elementos de la misma especie. Al estar los átomos tan cercanos unos de otros, interaccionan sus núcleos junto con sus nubes electrónicas, empaquetándose en las tres dimensiones, por lo que quedan los núcleos rodeados de tales nubes.
Estructura Interna de los materiales metálicos
Los metales son sustancias simples que se caracterizan por una
serie de propiedades comunes:
Elevada conductividad térmica y eléctrica.
Considerable resistencia mecánica (resisten esfuerzos de tracción,
compresión, torsión y flexión sin romperse).
Gran plasticidad, ductilidad y tenacidad, es decir, capacidad de
deformación antes de experimentar la rotura.
Elevada maleabilidad (capacidad de los metales para extenderse en
láminas sin romperse al ser sometidos a esfuerzos de compresión).
Posibilidad de reutilización (reciclado) ya que se pueden fundir y
conformar de nuevo.
Todas estas propiedades se derivan de su estructura interna, es decir, del
tipo de enlace que une sus átomos que, en este caso, es el ENLACE
METÁLICO:
Los átomos quedan empaquetados formando una estructura cristalina.
Se genera una nube de electrones que se extiende por los núcleos
atómicos y que se puede desplazar.
En estado sólido, los metales presentan una estructura interna constituida por un agregado compacto de cristales (estructura cristalina).
ESTRUCTURA CRISTALINA
Un material tiene una estructura cristalina cuando todos sus átomos están
ordenados de tal manera que cada uno tiene un entorno idéntico.
Historia de la humanidad de los materiales metálicos
El periodo de la evolución tecnológica de la humanidad caracterizado por el desarrollo de la metalurgia;comienza antes del V milenio a. C. y acabaría en cada lugar con la entrada en la Historia, para buena parte de Europa en el I milenio a. C.
-El uso de los metales nace en la Península de Anatolia a partir del 5.000 a.C.
-De allí se difunde a Mesopotamia y Egipto: carecen de yacimientos minerales y se inicia un comercio de metales a través del Mediterráneo, en busca de cobre y estaño.
-Este contacto permite la difusión de su conocimiento y permite el desarrollo cultural de los pueblos que comerciarán con los orientales.
-El hombre necesito de elementos fuertes y resistentes que e permitieran una mejor confección de sus utensilios y armas ; ello lo encontró al emplear los metales desde, aproximadamente ,el año 4 000 a.c .
-Este nuevo momento en el discurrir de la humanidad toma, por ello,el nombre de edad de los metales que se divide en : Edad de Cobre , Edad de Bronce y Edad de Hierro.
Edad de cobre o calcolitico ( 4 ooo -3 ooo a.c )
-El hombre prehistórico aprendió a usar el cobre el cual era fácil de obtener debido a sus presencia en la superficie terrestre mezclado con otros minerales.
-Invención de la metalurgia
-Desarrollo de la agricultura : arado,regadio,estiércol y nuevos cultivos (olivo ,vid...)
-Desarrollo de la ganaderia ,domesticación del asno y el buey,obtención de leche ,lana ,queso y yogurt...
-Desarrollo de la minería
El cobre, junto con el oro y la plata, es de los primeros metales utilizados en la Prehistoria.
Edad de Bronce ( 3 000 - 1 500 a.c )
-El bronces es resultado de la aleación de cobre (90%) + estaño (10%) aproximadamente , obteniéndose un metal mas duro y resistente
-Aparición del primer Estado, la primera autoridad política.
-La organización social se ha hecho más compleja que en los poblados neolíticos. Desaparición de la igualdad social
-Surge en el Creciente Fértil hacia el IV milenio a. C
-El bronce se origina en la actual Armenia, en torno al año 2800 a.C., pero también simultáneamente en la India, Irán, Sumeria y Egipto. Hacia el 2400 a.C. llega al Egeo y hacia el 1700 a.C. a Europa.
-En Europa central se introdujo hacia el año 1800-1600 y se desarrolla hasta el 700 a.C. En este periodo se generalizan las construcciones megalíticas.
Edad de Hierro (1 500 a.c )
-Es el estadio en el desarrollo de una civilización en el que se descubre y populariza el uso del hierro como material para fabricar armas y herramientas.
- En algunas sociedades antiguas, las tecnologías metalúrgicas necesarias para poder trabajar el hierro aparecieron de forma simultánea a otros cambios tecnológicos y culturales, incluyendo muchas veces cambios en la agricultura, las creencias religiosas y los estilos artísticos, aunque ese no ha sido siempre el caso.
-El hierro le permitió al hombre dominar mejor el medio y ampliar su horizonte cultural.Los hititas fueron los primeros en usar el hierro.
Extracción, producción y reciclado de materiales metálicos.
Son dos los procesos de fabricación: primario y secundario.
En el proceso primario, el metal se obtiene a través de la reducción del mineral al estado metálico por medio de reductores, como el carbón.Este proceso se realiza a altas temperaturas, con un elevado consumo de energía. El metal obtenido se denomina primario.
En el proceso secundario, el metal es obtenido básicamente de la fusión del metal ya usado,denominado chatarra. El consumo de energía es menor, y el metal obtenido se denomina secundario.
La gran ventaja del reciclaje de los metales es la de evitar los gastos de la fase de reducción del mineral a metal. Esa fase implica un gran gasto de energía, exige el transporte de grandes volúmenes de mineral e instalaciones costosas, destinadas a la producción en gran escala.
Aunque sea mayor el interés por reciclar materiales no ferrosos, debido al mayor valor de su chatarra, es muy grande la demanda de chatarra de hierro y de acero, inclusive por parte de las grandes plantas siderúrgicas y fundiciones.
- Por otra parte, el cobre es un metal duradero porque se puede reciclar un número casi ilimitado de veces sin que pierda sus propiedades mecánicas.
Oxidación y Corrosión
- Oxidación.Cuando un material se combina con el oxígeno, transformándose en óxidos más o menos complejos, se dice que experimenta una reacción de oxidación
- Corrosión Es un caso especial de oxidación en el que al encontrarse en un ambiente húmedo y conductor de la electricidad , la capa de óxido no se deposita sobre el material protegiéndolo del avance de la oxidación, sino que este se disuelve (corroe).
La corrosión es la mayor desventaja de los aceros ya que el hierro se oxida con suma facilidad incrementando su volumen y provocando grietas superficiales que posibilitan el progreso de la oxidación hasta que se consume la pieza por completo.
