Ingeniería Mecánica Guia de Materiales. Materiales alternativos.
1) Aceros al Carbono. Tipos y Características. Ejemplos. Un acero resulta básicamente una aleación de hierro y carbono con un contenido de este ultimo inferior a 2,11%, que puede contener además otros elementos aleantes que influyen más o menos en sus propiedades químicas y físicas. Se puede clasificar a los aceros en cuatro grandes grupos: • Aceros de Construcción • Aceros estructurales • Aceros para herramientas • Aceros para usos especiales Aceros al Carbono. Clasificación por Nivel de C: • BAJO CARBONO
%C<0,25
o Estructura: principalmente ferrítica o Propiedades: resistencia baja a media, alta ductilidad y tenacidad. Alta soldabilidad. Maquinabilidad: regular a excelente. o Ejemplos: Aceros estructurales, Chapas para embutido y estampado, Aceros para carburación, Chapas de uso eléctrico, Hojalata. • MEDIO CARBONO 0,25 < %C <0,55 o Estructura: depende del tratamiento térmico. o Propiedades: resistencia media a muy alta, ductilidad media a baja, tenacidad muy variable según la estructura. En este rango de C se obtiene la mejor combinación de resistencia y tenacidad, la templabilidad comanda este balance. o Ejemplos: Aceros para piezas de maquinas (ejes, árboles, bulones, engranajes, herramientas manuales, resortes, etc.). Son los llamados aceros de construcción mecánica. • ALTO CARBONO
%C>0,55
o Estructura: carburos en una matriz que depende del tratamiento térmico. o Propiedades: resistencia alta, baja tenacidad y ductilidad. Resistencia al desgaste. Soldabilidad y maquinabilidad malas. o Ejemplos: Aceros para rieles. Aceros para resortes. Aceros para rodamientos. Aceros para herramientas de conformado en frío de bajos requerimientos.
Ejemplos de utilización. Todos los aceros al carbono son aceros para construcciones mecánicas, son aquellos destinados a la fabricación de piezas o elementos de maquinas, motores o equipos mecánicos en general. SAE 1040: Contiene 0,40% C. Debido a que tiene una gran resistencia mecánica distribuida homogéneamente en toda su sección, se utiliza, entre otras cosas, para la fabricación de árboles de transmisión y ejes. SAE 1010: Contiene 0,10% C. Debido a que tiene una gran resistencia al desgaste y un gran endurecimiento superficial dado por un tratamiento superficial, se utilizan para la fabricación de planchuelas, perfiles, chapas, y toda pieza que necesite gran resistencia al desgaste. Aceros estructurales. La resistencia al desgaste viene dada por un tratamiento termoquímico superficial que posibilita un gran endurecimiento de la superficie. (Fuente: Templabilidad de P. J. Maroni) Estos aceros tienen buena maquinabilidad, buena ductilidad y tenacidad, lo que permite que puedan ser utilizados como aceros estructurales. SAE 12L14: Contiene 0,14% de C máximo, posee contenidos de P y S y plomo Pb de 0,15 a 0,35%. Se lo denomina acero «de corte libre». Tiene alta velocidad de mecanizado y 100% de maquinabilidad. No sirven en caso de utilización bajo condiciones muy severas. Se los utiliza para la fabricación de hojalata, chapas para embutido y estampado.
2) Aceros Aleados. Clasificación SAE. Propiedades que otorgan los aleantes. Ejemplos. Clasificación por porcentaje de elementos aleantes (EA): •
BAJA ALEACION
%EA<5
o De Bajo C: Aceros estructurales. o De Medio C: Aceros de construcción mecánica, aceros para piezas mecánicas. o De Alto C: Aceros para herramientas, para rodamientos, para resortes, para rieles. •
MEDIA ALEACION 5< %EA <10 o Aceros para uso Criogénico (T < –30 ºC): bajo C; 2,5 a 9 %Ni o Aceros para alta temperatura (T > 350 ºC):aceros al Cr–Ni o Cr–Mo–V
•
ALTA ALEACION
%EA>10
o Aceros inoxidables: al Cr (min. 12%), al Cr–Ni (18–8), al Cr–Mn–N. o Aceros para herramientas: aceros de medio y alto C que poseen alguno o varios de los aleantes Cr, Mo, V, W y Co. o Aceros marageing: aceros de alta resistencia y alta tenacidad al Ni–Co–Mo. o Aceros Hadfleld: aceros resistentes al desgaste aleados con Mn.
Clasificación AISI–SAE (American Iron and Steel Institute-Society of Automotive Engineers) Clasificación Al carbono
Aleados
Al carbono y aleados
Clases de Acero De bajo y mediano manganeso De corte libre resulfurados De corte libre resulfurados y refosforados De alto manganeso
Designación 10XX 11XX 12XX 13XX
Al níquel Al níquel Al níquel – cromo Al níquel – cromo Al níquel – cromo Al níquel – cromo Al molibdeno Al cromo – molibdeno Al níquel – cromo – molibdeno Al molibdeno Al níquel – molibdeno Al níquel – cromo – molibdeno Al níquel – molibdeno Al cromo Al cromo Al cromo Al cromo Al cromo Al cromo – vanadio Al níquel – cromo – molibdeno Al níquel – cromo – molibdeno Al níquel – cromo – molibdeno Al níquel – cromo – molibdeno Al silicio – manganeso Al níquel – cromo – molibdeno Al níquel – cromo – molibdeno Al níquel – cromo – molibdeno Al níquel – cromo – molibdeno
23XX 25XX 31XX 32XX 33XX 34XX 40XX 41XX 43XX 44XX 46XX 47XX 48XX 50XX 51XX 50XXX 51XXX 52XXX 61XX 81XX 86XX 87XX 88XX 92XX 93XX 94XX 97XX 98XX
Con boro Con plomo
XXBXX XXLXX 302XXX 303XXX 514XXX
Inoxidables Austenítico: cromo – níquel – manganeso cromo – níquel Ferrítico – Martensítico
El primer digito indica la serie. Los últimos dos (tres en algunos casos) indican el tenor de carbono. El segundo digito indica una subserie.
Propiedades que le otorgan los distintos aleantes. Aluminio (Al): Tiene acción desoxidante. Limita el crecimiento del grano por formación de óxidos y nitruros. Es el elemento de aleación fundamental de ciertos aceros de nitruración. Cromo (Cr): Aumenta la resistencia a la corrosión y oxidación. Aumenta la templabilidad. Aumenta algo la resistencia a altas temperaturas. Mejora la resistencia a la abrasión y al desgaste (con contenidos altos de carbono) Cobalto (Co): Mejora la dureza en calienta al aumentar la dureza de la ferrita. Manganeso (Mn): Contrarresta la fragilidad debida al azufre. Aumenta la templabilidad siendo su empleo muy económico. Molibdeno (Mo): Eleva la temperatura de crecimiento de grano de la austerita. Aumenta la templabilidad. Contrarresta la fragilidad de revenido. Mejora la resistencia en caliente y al creep, aumenta la dureza en caliente. Aumenta la resistencia a la corrosión en los aceros inoxidables. Forma partículas resistentes a la abrasión. Níquel (Ni): Aumenta la resistencia de los aceros recocidos. Aumenta la tenacidad de los aceros perlíticos – ferríticos (especialmente a baja temperatura). Hace austeníticos los aceros altos en cromo. Fósforo (P): Aumenta la resistencia en los aceros bajos en carbono. Mejora la resistencia a la corrosión. Mejora la maquinabilidad en los aceros bajos en C. Silicio (Si): Se usa como elemento desoxidante. Es el elemento de aleación fundamental de la chapa magnética y de la utilizada en aplicaciones eléctricas. Mejora la resistencia a la oxidación. Aumenta la templabilidad en los aceros con elementos no grafitizantes. Aumenta la resistencia de los aceros de baja aleación. Titanio (Ti): Fija el carbono en forma de partículas inertes. Reduce la dureza martensítica y la templabilidad en los aceros con contenido medio de cromo. Dificulta la formación de austerita en los aceros altos en cromo. Evita la perdida de cromo en ciertas zonas de los aceros inoxidables durante calentamientos muy prolongados. Tungsteno (W): Forma partículas duras y resistentes a la abrasión en los aceros de herramientas. Mejora la dureza y resistencia de los aceros a altas temperaturas.
Vanadio (V): Eleva la temperatura de crecimiento de grano de la austerita (favorece las estructuras de grano fino). Aumenta la templabilidad cuando se encuentra disuelto. Dificulta el ablandamiento en el revenido y da lugar de una manera muy acusada al fenómeno de dureza secundaria.
En forma general, los elementos de aleación otorgan al acero propiedades relevantes para otras exigencias. o Mejoras en las propiedades mecánicas: incremento de la resistencia, incremento de la tenacidad, incremento de dureza a altas temperaturas, incremento en el endurecimiento por trabajado en frío, descenso en la plasticidad de aceros de baja resistencia, incremento en la resistencia a la abrasión o capacidad de corte, disminución de la fisuración y la distorsión y mejora en las propiedades en alta y baja temperatura. o Mejoras en las propiedades magnéticas: incremento de la inducción máxima, descenso o ascenso en la fuerza coercitiva y descenso en el lazo de histéresis, y anulación de toda respuesta magnética. o Mejoras en la resistencia al ataque químico: disminución de la oxidación en vía húmeda, disminución de la corrosión atmosférica, disminución al ataque en medio oxidante a elevada temperatura, y disminución al ataque de medios reactivos (líquidos o gaseosos).
Ejemplos de utilización. SAE 8620: Contiene 0,20% C, 0,5% Ni, 0,5% Cr y 0,20% Mo. Se utiliza para la fabricación de engranajes de cajas de cambio de los automóviles dado que tiene una gran resistencia al desgaste, una alta dureza y una alta tenacidad. Su gran resistencia al desgaste, alta dureza y tenacidad vienen dadas por el tratamiento termoquímico superficial que se le aplica: Cementación. Debido al mismo, la pieza queda con una alta resistencia y alta dureza (con un 80% de C) en la periferia y en el interior consigue una alta tenacidad (con un 20%) SAE 52100: Contiene 1% C y alto cromo 1,5 % Cr. Se utiliza para la fabricación de rodamientos, dado que tiene alta resistencia a la corrosión y al desgaste, y tiene baja tenacidad. También se utiliza para la fabricación de herramientas agrícolas. SAE 51100 – SAE 52100: son aceros de alta aleación y 1% C. Los aleantes principales son: Cr, Mo, W, V. Dado que tienen alta resistencia al desgaste, alta resistencia a la deformación y a la rotura, resistencia al impacto y dureza a altas temperaturas, se utilizan para fabricar herramientas de corte (tornos, brocas, fresas, brochas), herramientas de conformado (forja, extrusión, trefilado, recalcado, embutido), moldes para fundición a presión, moldes para inyección de plásticos, y en ciertos casos, para fabricar piezas estructurales o piezas de maquinas. A estos aceros, la gran mayoría de las propiedades se las dan los elementos aleantes. SAE 4340: Contiene 0,40% C y como aleantes Ni, Cr y Mo. Es probablemente el mejor acero para aplicaciones generales. Dado que tiene buena resistencia al desgaste, buena ductilidad y tenacidad se utiliza, generalmente, para fabricar cigüeñales, ejes, engranajes, piezas de tren de aterrizaje, etc. Todas sus propiedades se consiguen gracias a los elementos aleantes que lleva en su composición, las cuales son mejoradas con el tratamiento térmico de temple y revenido (bonificado) que se le aplica.
3) Aceros para altas temperaturas. Características y composición. Ejemplos. Los aceros para alta temperatura, aquellos que deban soportar temperaturas superiores a 350ºC, son aceros de media aleación. Son aceros al Cr – Mo o Cr – Mo – V Propiedades: o o o o
Gran tenacidad a altas temperaturas Gran resistencia al calor Buena resistencia a fisuras a altas temperaturas Alta resistencia al desgaste en caliente
Ejemplos de utilización. SAE H-13: Contiene 0,40% C, 1,0% Si, 5,3% Cr, 1,4% Mo y 1,0% V. Dado que tiene gran estabilidad en el revenido, tenacidad y resistencia al desgaste en caliente, es apto para ser utilizado en herramientas de fundición a presión, cuchillos para cortes en caliente y en frío. Este acero es insensible al agrietamiento en caliente, pero no debería someterse a un enfriamiento por agua durante su uso. SAE H-10: Contiene 0,32% C, 3,0% Cr, 2,8% Mo y 0,5% V. Dado que tiene gran constancia termal y buena conductibilidad de calor, y soporta refrigeración extrema por agua, se utiliza para prensas de forja, herramientas de fundición a presión, matrices de prensado de acero en barras, punzones, herramientas refrigeradas con agua. SAE H-10A: Contiene 0,32% C, 3,0% Cr, 2,8% Mo, 0,5% V y 3,0% Co. Dado que tiene gran constancia termal y buena conductibilidad de calor, y soporta refrigeración extrema por agua, y además, gracias al contenido adicional de Co (lo que lo diferencia del H-10), tiene una mejor estabilidad en el revenido y constancia termal, este acero es apto para la fabricación de prensas de forja, herramientas de fundición a inyección de gran tamaño, matrices de prensas vías, punzones, herramientas refrigeradas por agua.
4) Tratamientos Térmicos. Características y propiedades. Ejemplos Un tratamiento térmico consiste en una combinación de operaciones de calentamientos y enfriamientos aplicadas a una aleación en estado sólido y realizadas en un determinado medio, que generalmente tiene por objeto la regeneración o modificación de la microestructura cristalina y el mejoramiento o variación de algunas de sus propiedades físico-mecánicas, ya sea en forma total en solo superficial. Se debe tener en cuenta que hay dos formas fundamentales de realizar los tratamientos térmicos: I. Por enfriamiento continuo, donde la variable fundamental del proceso es la velocidad. II. Isotérmicamente, dónde la variante principal es la temperatura del proceso en la cual se realizan las transformaciones buscadas. Se hará una enumeración de los distintos tratamientos térmicos: A. De enfriamiento continuo: I. Recocidos a. De austenización completa Subcríticos b. c. De austenización incompleta Oscilante d. Doble e. II. Normalizado III. Temple y revenido B. Isotérmicos I. II. III.
Recosido isotérmico Patentado o patenting Austemperado o austempering
C. Termoquímicos I. Carburación o segmentación II. Carbunitruración III. Nitruración IV. Sulfurización
De Enfriamiento Continuo. Recocido El objetivo principal es el ablandamiento y la obtención de microestructuras uniformes muy cercanas a las “de equilibrio”. En última instancia, lo que se busca es disminuir la energía libre del sistema, pasando al acero a un estado más estable. En la fabricación de piezas de acero, este sufre calentamientos cuyas temperaturas dependen de la índole del proceso, como ser, en la zona de los 900 a 1100º C para la forja y mas de1500 ºC para el moldeo. El enfriamiento posterior, debido a que en todos los casos se persigue la obtención de determinadas formas, se hace generalmente sin control riguroso, dando pro resultado un acero de estructura irregular, con crecimiento anormal del grano, endurecimientos localizados y con tensiones internas. Estas irregularidades o defectos se subsanan mediante el recocido, tratamiento térmico que consiste en calentar el metal hasta temperaturas que podrán ser algo superiores a la critica superior o menores que la critica inferior, mantenerlo el tiempo suficiente para luego enfriarlo muy lentamente dentro del horno. Normalizado Se trata de tratamiento en el que las temperaturas de calentamiento alcanzadas son de 50º C a 70º C mayores que Ac3, y el enfriamiento se realiza en aire calmo. Debido a este enfriamiento semirápido, se consiguen estructuras de grano mas fino, lo que eleva algo sus propiedades mecánicas de resistencia y dureza, mejorando sus cualidades de maquinabilidad. Este tratamiento se aplica a piezas que han sufrido enfriamientos irregulares y sobre calentamientos como son los casos de piezas coladas, las piezas forjadas y las que han sufrido algún proceso de soldadura, a los efectos de homogenizar y afinar la estructura. El normalizado se debe efectuar como tratamiento previo al temple.
Temple El temple es el tratamiento térmico de mayor importancia de los que se somete al acero, y su objetivo fundamental es endurecerlo y aumentar su resistencia Para la obtención de un temple correcto, en el caso de los aceros hipoeutectoides, debe llevarse a la masa de los mismos a un estado completamente austenítico. Las condiciones en las que se realiza el calentamiento para conseguirlo, deben ser tales de no provocar diferencias de temperatura muy notorias entre la superficie y el núcleo de la pieza tratada. El motivo de esta consideración es que dichas diferencias de temperatura, sobre todo en grandes masas, dan lugar a dilataciones desiguales, las que originan tensiones que si alcanzan valores elevados ocasionan fisuras o grietas internas. Por ello es que se acostumbra a controlar el calentamiento rigurosamente para producir una diferencia no mayor que 20 ºC entre puntos que disten 25 mm, o con una duración total del proceso del orden de una hora cada 25 mm de espesor. Esta duración depende en gran parte de la forma en que se presenten las superficies de las piezas, ya sea oxidadas, rugosas o pulidas, siendo más rápido el calentamiento en los primeros casos. Las temperaturas ideales de austenización para el temple son, por lo general, de 30 ºC a 50 ºC superiores al punto' crítico superior para los aceros hipoeutectoides, en cambio en el caso de los aceros hipereutectoides, la austenización es incompleta y las temperaturas de temple están ubicadas sobre el punto crítico inferior. Esto último se debe a que no resulta práctico disolver la cementita, ya que como el objeto de este tratamiento es el endurecimiento del acero y la cementita es la fase más dura que contiene este material, su disolución sería incorrecta. Además, cuanto mayor carbono disuelto contenga la austenita, más estable será la misma, que tenderá a permanecer sin transformarse en martensita, dando origen a la "austenita retenida". Esta zona se elige, como así también el tiempo de permanencia en ella, de acuerdo al volumen de la pieza, al tipo de acero y a su estado estructural, debido a que para conseguir una austenización regular es necesaria una normal difusión del carbono. Por otra parte, dicha difusión puede ser entorpecida por la presencia de impurezas como el azufre, el fósforo u otros elementos que, por segregación en unos casos o por el rechazo del carbono en otros 51 la retardan. Alcanzar mayores temperaturas en el calentamiento facilitaría la austenización, pero provocaría un aumento en el tamaño de grano, particularidad que proporciona un temple grosero y de mala calidad.
Revenido En la condición martensítica, el acero es demasiado frágil y tiene grandes tensiones internas que impiden su utilización en piezas de máquinas, por lo que debe aplicarse un nuevo tratamiento térmico que aumente su tenacidad y por lo tanto su ductilidad, sin perder demasiado la dureza y la resistencia ganadas en el temple, y que elimine además las tensiones. Esto se logra con el revenido, que consiste en calentar un acero previamente templado hasta una temperatura por debajo de la crítica inferior, seguido de un posterior enfriamiento al aire. En realidad, el revenido no es un tratamiento térmico que pueda aplicarse a un acero en cualquier condición, sino que debe estar previamente templado, por lo que debemos considerarlo como una segunda etapa del tratamiento de "temple y revenido". Al tratamiento de temple y revenido se lo denomina comercialmente "bonificado". El mejoramiento de las propiedades mecánicas depende fundamentalmente de la temperatura alcanzada y del tiempo o duración del tratamiento. Las temperaturas que se utilizan normalmente están entre 180 ºC y 650 ºC, siendo la temperatura elegida función de las propiedades que se desean. El revenido a bajas temperaturas quitará las tensiones internas, otorgando algo de ductilidad pero manteniendo prácticamente la dureza, por lo que suele denominarse revenido de alta dureza. Si el objetivo es darle tenacidad al acero aumentando su ductilidad, se resignará algo de la dureza lograda y el revenido debe realizarse a altas temperaturas, designándolo como revenido de alta tenacidad y al tratamiento de temple seguido de un revenido de alta temperatura se lo conoce como refinación, debido a que se logran muy buenas características mecánicas con una estructura muy fina. Una muy breve explicación de lo que sucede en este proceso es que la activación térmica produce un aumento de la difusión, la que origina la precipitación del carbono atrapado en la estructura metaestable de la martensita, quitando las tensiones internas y logrando el aumento de la tenacidad. Con respecto a la tenacidad otorgada por el revenido, se debe tener en cuenta el fenómeno de "fragilización de la martensita revenida o fragilidad del azul o fragilidad de los 350 ºC", que ocurre en todos los aceros como consecuencia de este tratamiento. Cuando el calentamiento se produce entre 250 ºC y 400 ºC, la cementita que aún se encontraba sobresaturando la martensita precipita formando una delgada película de cementita entre las placas o agujas de la ferrita (ya que la martensita al eliminar carbono se transforma en ferrita, que todavía posee la morfología de la martensita) una disminución de la tenacidad, que puede ponerse en evidencia por los bajos valores obtenidos en el ensayo de impacto sobre probeta entallada. La presencia del silicio en tenores del 0,5 % al 2%, hacen que dicha fragilidad ocurra a temperaturas más elevadas. No debe confundirse la fragilización anterior con la llamada "fragilización por revenido o fragilidad Krupp", la misma ocurre sólo en aceros aleados (Si, Mn, CR-NI, Cr-Mn, Cr-Ni-Mn), especialmente en aquellos que contienen un alto contenido de impurezas (Sb, Sn, As y P), que se exponen prolongadamente o se enfrían lentamente en el rango de temperaturas que van desde 400 ºC a 580 ºC. A todas las estructuras obtenidas con este tratamiento, a pesar de que no son iguales, se las designa como martensitas revenidas.
Isotérmicos. Recocido Isotérmico. Consiste en austenizar la pieza, y colocarla rápidamente en el baño isotérmico de sales fundidas a una temperatura del orden de los 600 a 650 ºC dejándola el tiempo necesario para que se complete la transformación. Tiene una cantidad de perlita mayor que de ferrita, la perlita posee una estructura menos basta y aumentan levemente los valores de dureza de la pieza, y además este ofrece la ventaja de ser más rápido y económico que un recocido continuo. Patentado o Patenting. Se lo emplea fundamentalmente como tratamiento previo o durante el trefilado de alambres y flejes de acero de alta resistencia, con un contenido superior a 0,6% C y de 0,9 a 1,2 % Mn. Estos aceros son de muy baja ductilidad, como consecuencia de que en su estructura predomina la perlita laminar (cuya cementita, que contiene 6,67% C, es dura y frágil) y además tiene ferrita que es blanda y dúctil. Las fisuras se nuclear y propagan por las laminas de cementita; por otra parte, cuando se efectúa el trefilado, al pasar por la trefila una zona con mayor cantidad de ferrita, se produce la rotura del material por excesiva tracción. El tratamiento consiste en calentar el producto hasta la temperatura de austenizacion completa, para luego enfriarlo rápidamente en un baño de plomo fundido, cuya temperatura varia entre 400 y 600 ºC, exigiendo un control riguroso para asegurar la transformación total de la austenita en perlita fina o ultrafina uniforme, que le confiere mayor tenacidad y ductilidad. Austemperado o Austempering. Consiste en calentar el acero a la temperatura de austenizacion apropiada, y enfriarlo rápidamente en un baño de sales fundidas a una temperatura entre 250 y 450 ºC, superior siempre en algunos grados a Ms, que es la temperatura de comienzo de la transformación martensitica. Mantenido en este baño hasta que la transformación finalice, el acero queda con una estructura 100% bainitica, de aspecto acicular en forma de pequeñas agujas, y que caracteriza a un acero de alta dureza y resistencia, pero con una mayor tenacidad que la que presentaría el mismo acero después de un “bonificado” a igual dureza. Este tratamiento da muy buenos resultados solo para piezas que no superan los 12 mm de espesor, ya que de otro modo se corre el riesgo de tener algo de estructura perlitica. Resulta aplicable con óptimos resultados para herramientas y piezas chicas de acero con 0,6% a 1,2% C, pero resulta oneroso y lleva tiempo largo de transformación, por lo que no se adapta para piezas grandes. Con este tratamiento se busca evitar los inconvenientes de la fisuración y las tensiones internas propias de las estructuras martensiticas.
Termoquímicos. Cementación o Carburación La cementación (también conocida como carburización o carburación) es un proceso de adición de carbono en la superficie del acero exponiéndola a la acción de agentes carbonosos o cementantes sólidos, líquidos o gaseosos, efectuándose dicho proceso por encima de la temperatura de transformación. Después de la carburación se somete el material al temple y generalmente a un revenido a 149 232 C para lograr la eliminación de las tensiones producidas por el temple. Los métodos de carburación más corrientes son los de cementación en caja y cementación con gas. En la carburación en caja se calienta la pieza en contacto con compuestos carburantes sólidos de diversas clases, por ejemplo, carbón vegetal, huesos quemados o en polvo, cuero tostado o carbón de cuero, alquitrán, carbonatos de bario, sodio y calcio, especialmente el carbonato de bario y el carbón vegetal. La profundidad de la corteza y la rapidez del proceso dependen en parte de la temperatura del horno durante la operación, que es del orden de 900950~ C. En la cementación con gas, se calientan las piezas en gases carburantes, tales como metano, etano, propano y C2O. Las temperaturas de operación y el espesor de la corteza obtenidos son casi los mismos que en la carburación en caja. Después de cuatro horas a unos 9250 C, el espesor de la costra es de 1 a 1,27 mm. En la cementación con líquido se sumerge la pieza en un baño de sales fundidas que produce una corteza análoga a la obtenida en la carburación por los procedimientos mencionados anteriormente, pero de menor espesor, que ordinariamente no pasa de 0,64 mm. Para servicio pesado o severo, como en el caso de dientes de algunos engranajes, puede ser conveniente un espesor de corteza de 1,5 a 2,3 mm. Se puede ver que un valor seguro de proyecto de dureza de superficie del acero carburado puede ser 600 NDB (BHN). La dureza esta comprendida generalmente entre los limites 55 < Rc < 65 o 560 < NDB < 730 Los aceros para cementar son de bajo contenido de carbono, por ejemplo, de 0,15-0,25%.
Carbunitruración o Cianuración. Aplicado con el mismo objetivo que la cementación, se lo diferencia por la fijación o absorción simultanea de carbono y nitrógeno. Como el proceso debe concluirse con temple y revenido, se ve facilitado en estos casos por la presencia del nitrógeno, al disminuir la velocidad critica de temple y la temperatura Ms de transformación martensitica, con lo que se logra una mejor estructura. Las mezclas carbonitrurantes son por lo general gaseosas, en las que el amoniaco es el gas base que suministra el nitrógeno, y el gas natural, de gasógeno, o vapores de hidrocarburos, el carbono. Las temperaturas apropiadas oscilan en los 850ºC y la duración del proceso que se rige por la profundidad de capa dura o obtener (0,1 a 0,6 mm), varia de media a cinco horas. Estos tratamientos también pueden ser realizados en baños líquidos de sales (cianuros), en cuyo caso el proceso se denomina cianuración, siendo importantes para este método la composición y temperatura del baño. El contenido de C de las superficies endurecidas es menor que el producido por carburación, variando entre 0,5 y 0,8 % y los contenidos de H2 oscilan en 0,5%. Nitruración. Este proceso de endurecimiento superficial utiliza al amoniaco gaseoso disociado a la temperatura del tratamiento, como proveedor del nitrógeno atómico para la formación de nitruros de hierro y de aluminio y cromo que son los que confieren una gran dureza al acero. Si bien las capas duras son delgadas (raramente superan los 0,5 mm) y los tiempos para lograrlas extremadamente largos, la dureza alcanza valores de 1100 HV, obteniéndose los mas altos valores en aceros llamados de “nitruración” que contiene tenores de 1% de aluminio. La temperatura del proceso no supera los 350 ºC, y por lo tanto al no alcanzar la crítica inferior, no se producen cambios de fase que alteren las medidas de las piezas, por lo que pueden ser sometidos elementos terminados templados y revenidos previamente. La alta resistencia al desgaste de las piezas nitruradas y su buena resistencia a la fatiga son las características sobresalientes para la elección de este tratamiento. Este tratamiento se utiliza para piezas de motores de aviones, levas, camisas de cilindros, vástagos de válvulas, bielas y pernos de pistón.
Sulfinización. Su principal característica es la de conferir a las superficies tratadas inmejorables condiciones de resistencia al desgaste sin aumentar su dureza. El azufre en este caso es el elemento aportado y proviene de mezclas de sales que lo contienen, como sulfito sódico al 12%, pero como los baños también contienen cianuros, se incorpora algo de carbono y nitrógeno simultáneamente. Como las capas sulfinizadas son de reducidos espesores (0,3 mm como máximo), el proceso en una determinada pieza guarda un cierto ordenamiento, comenzando con el mecanizado de las superficies de forma de dejar un excedente de material de 0,02 mm para el rectificado posterior, someterlas a un calentamiento previo e introducirlas en el baño, con lo que se previene un enfriamiento en su entorno debiendo encontrarse a una temperatura de 565 ºC. Las superficies de la pieza tienden a sulfinizarse rápidamente, por lo que a la hora aproximadamente de tratadas se saturan, lográndose solo una penetración de 0,15 mm; el máximo de 0,3 mm se alcanza en más de tres horas.
5) Fundiciones: Gris, Blanca, Atruchada y Nodular. Características y propiedades. Ejemplos de Utilización. Las fundiciones son aleaciones de hierro, carbono y silicio que generalmente contienen también manganeso, fósforo, azufre, etc. Son de mayor contenido en carbono que los aceros (2 a 4,5 %) y adquieren su forma definitiva directamente por colada, no siendo nunca sometidas a procesos de deformación plástica ni en frío ni en caliente. En general no son dúctiles ni maleables y no pueden forjarse. A excepción de dos tipos de fundiciones que son tenaces y tienen cierta ductilidad, como veremos más adelante. Principales propiedades de las fundiciones en general. • Las piezas de fundición, son en general, mas baratas que las de acero, y su fabricación es mas sencilla dado que se emplean instalaciones menos costosas •
Las fundiciones son mucho más fáciles de mecanizar que los aceros.
• Se pueden fabricar con relativa facilidad piezas de grandes dimensiones y también piezas pequeñas y complicadas. • Las fundiciones tienen una elevada resistencia a la compresión, una aceptable resistencia a la tracción, una gran resistencia al desgaste y una muy buena absorción de vibraciones. Clasificación de las fundiciones. • Fundición Blanca • Fundición Maleable o Nodular • Fundición Atruchada • Fundición Gris: o Laminar o Compacto o Esferoidal
Fundición Blanca. Su composición básica es: Perlita + Cementita (Fe3C) Composición en %: 4% C, 0,80% Si Las fundiciones blancas son aleaciones hierro-carbono cuyos procesos de solidificación y de transformación se realizan de acuerdo con las leyes generales correspondientes al diagrama hiero-carbono metaestable, y están construidas fundamentalmente por perlita y cementita. Estas fundiciones presentan fracturas blancas y brillantes, y en general son muy duras, frágiles y tienen poca tenacidad. En estas el carbono se presenta en forma de cementita, lo que, como veremos mas adelante, la diferencia de las otras fundiciones. Ejemplo de utilización: La fundición blanca se usa mayormente para aumentar la resistencia al desgaste de contenedores de cemento y molinos de bolas. A los mismos, se les hace un recubrimiento de fundición blanca. Fundición Atruchada. Su composición básica es: Perlita + Cementita (Fe3C) Composición en %: 4% C, 0,90% Si. Las fundiciones atruchadas son de característica y microestructura intermedia entre las fundiciones blancas y las fundiciones grises. No tiene aplicaciones mecánicas.
Fundición Maleable o Nodular. Esta fundición sirve para fabricar piezas pequeñas de formas muy variadas y, tenaces a la vez, ya que estas piezas tienen muchas aplicaciones en numeras maquinas e instalaciones. Existen dos procedimientos para fabricar la fundición maleable: uno denominado europeo, con el que se fabrica la maleable de corazón blanco, y otro americano, con el que se fabrica la maleable de corazón negro. Maleable Europea (Corazón Blanco) En este procedimiento se comienza fabricando primero piezas de fundición blanca. Luego son envueltas con un material oxidante como mineral de hierro, óxidos o batidoras de forja o laminación, etc., y dentro de cajas cerradas son sometidas a un recocido a alta temperatura (900º a 1100º C) durante 3 a 6 días. Es frecuente emplear, aproximadamente, un día en calentar, dos en enfriar y tres días en mantener el material a temperatura. En este recocido, la fundición blanca se descarbura al realizarse una difusión de carbono del interior al exterior bajo la acción oxidante del mineral, cascarillas o batidoras de hierro, que rodean las piezas, quedando convertida la fundición blanca, que es muy frágil, en un nuevo material, muy tenaz, parecido en cierto modo al hierro dulce. Se le llama de Corazón Blanco por que al descarburarse, la microestructura queda formada en gran parte por ferrita, y una mínima parte (el carbono que no se fue) es perlita. Maleable Americana (Corazón Negra) En este procedimiento las piezas se envuelven dentro de cajas cerradas rodeadas con materias neutras como la arena, en vez de ser recubiertas con materiales oxidantes. En este sistema la fundición no se descarbura y el carbono no emigra, sino que durante el recocido se precipita bajo forma de nódulos de grafito, resultando entonces un material muy tenaz, también parecido en cierto modo al hierro dulce. Se le llama de Corazón Negro porque en su microestructura se observan cristales blancos de ferrita y nódulos negros de grafito, los cuales son mayoría.
Fundición Gris. A diferencia de la fundición blanca, la fundición gris presenta el carbono en forma de grafito. Hay tres tipos, de acuerdo a la forma con que se presente el grafito: o Grafito Laminar o Grafito Compacto o Grafito Esferoidal. La fundición con grafito laminar y compacto se las considera Fundición Gris Común. Y la fundición con grafito esferoidal se la llama Fundición Dúctil. Fundición Gris Común. Estas fundiciones el grafito se presenta, mas generalmente, en forma laminar, y a veces en forma compacta. Esta fundición contiene, en general, mucho silicio. Y el carbono presente como grafito, baja la dureza, la resistencia y el modulo de elasticidad en comparación con los valores que corresponden a las mismas microestructuras sin grafito. El grafito, además, reduce casi a cero su ductilidad, su tenacidad y su plasticidad. Ejemplo de Utilización. Esta fundición generalmente se utiliza para fabricar piezas de ornamentación, tubos, pistones de motores a explosión y zapatas de frenos, dado que estas fundiciones tienen una alta resistencia al desgaste y son resistentes al calor. Para aumentarles ciertas propiedades, como resistencia a la corrosión y resistencia a la tracción, a esta fundición se le agrega elementos aleantes como Ni, Cr, Mo, Cu, etc. De una forma general, se pueden clasificar las fundiciones aleadas en dos grupos: I. Fundiciones de baja y media aleación, se caracterizan por tener pequeñas cantidades de Ni, Cr, Mo y Cu, generalmente en porcentajes inferiores a 5%. En general, son fundiciones de alta resistencia a la tracción. También pertenecen a este grupo las fundiciones con 1 a 2% de Cr, que son resistentes al calor. II. Fundiciones de alta aleación, son las que tienen más de 5% de elemento aleado. En esta familia se agrupan las fundiciones muy resistentes al desgaste, al calor, a la corrosión y las de alta dureza. Ejemplos de Utilización. Estas fundiciones se utilizan para la fabricación de Camisas de cilindros, Tambores de frenos, Cigüeñales, Bancadas de máquinas y cilindros de laminación en caliente, dado que las mismas tienen gran resistencia al desgaste, alta resistencia a la tracción, alta resistencia a la corrosión y al calor, y alta dureza.
Fundición Dúctil. En estas fundiciones, el grafito se presenta en forma esferoidal. Como el carbono esta segregado bajo la forma de nódulos o esferas, disminuye la tendencia a la fragilidad característica de la fundición gris, puesto que si bien en las zonas metálicas las propiedades mecánicas continúan siendo las de una aleación de alto contenido de carbono, no se presenta ahora la tendencia a la transmisión de esfuerzos o roturas a través de las laminas de grafito. Esto se traduce en un mejoramiento de las propiedades mecánicas, acercándose estas a las del acero. El proceso para la obtención de la fundición dúctil, desde el punto de vista físico – químico, tiene 2 etapas: 1. La purificación del hierro fundido, eliminando el azufre y el oxigeno contenidos mediante la incorporación de calcio y silicio respectivamente 2. La nodulación por medio de tratamiento de magnesio y/o cerio, todos en la forma de aleaciones. La principal consecuencia de este proceso es la nodulización del carbono, manteniéndose las características distintivas de las estructuras metalográficas del metal base. La conjunción de estos dos aspectos da lugar a un mejoramiento de las propiedades mecánicas. En muchos casos la fundición puede reemplazar al acero, y en función de ello son muchas de las piezas que habiéndose fabricado en acero han pasado a ser elaboradas en fundición dúctil. El empleo de elementos de aleación en las fundiciones dúctiles es muy interesante cuando se desea fabricar piezas de gran espesor que deban ser templadas o normalizadas para conseguir altos niveles de dureza o resistencia. En esos casos los elementos aleantes sirven principalmente para mejorar la templabilidad, mejorándose también la tenacidad. Ejemplos de Utilización. Una de las aplicaciones más interesantes de estas fundiciones es la fabricación de grandes cilindros de laminación, dado que presentan una gran resistencia al desgaste, al calor y a la corrosión, y una elevada tenacidad. También se utiliza para la fabricación de cigüeñales, pistones y tambores de frenos, (con 1,4 -2% C, 1% Si, 0,7-0,8% Mn, 0,12% Cr, y 1,75-2,10% Cu) dado que presentan una baja sensibilidad a la entalla, buena capacidad de amortiguamiento de las vibraciones, buena resistencia al desgaste y su bajo coste.
6) Cobre. Características y propiedades. Ejemplos de utilización. Generalidades del cobre Posee una alta conductividad eléctrica y térmica, buena resistencia a la corrosión, buena maquinabilidad, resistencia y facilidad de fabricación. Es no magnético, tiene un color atractivo (rojizo), se puede soldar y dar terminaciones superficiales con revestimientos metálicos (galvanizado) o barnizado. Se pueden mejorar sus propiedades por aleación. Por sus propiedades, el cobre se aproxima a los metales preciosos especialmente por su excelente resistencia a los agentes corrosivos naturales. Desde el descubrimiento de la corriente eléctrica y el desarrollo industrial resultante del mismo, el cobre encuentra su verdadera y primordial aplicación: la de conductor. Indirectamente, sus propiedades conductoras de calor le abren otro importante campo de utilización: el de los materiales intercambiadores de calor. Resistencia a la Corrosión. A temperatura ambiente, el cobre se recubre al aire seco de una película de Cu2O que protege la superficie. En atmósfera húmeda, bajo la acción de sulfuros o del anhídrido carbónico, la película se vuelve negra o verde. El cobre se ataca por los ácidos y los cloruros. Sin embargo, el agua de mar solo tiene una acción superficial. El cobre es sensible al ataque por cavitación, la sensibilidad es especialmente grande cuando los tenores en O2 y CO2 disueltos son elevados y los de Ca2+ y Mg2+ más bajos: en estos casos desfavorecemos la velocidad del líquido debe ser más baja que 1,2 m/s. Tipos de Cobre Industrial. Ejemplos de Utilización. • Cobre refinado con oxigeno o cobre electrolítico. Llamado frecuentemente cobre tenaz o cobre electrotenaz o cobre tenaz de alta conductividad (HC) o cobre electrolítico “tough pitch” (ETP). El tenor mínimo de cobre es de 99,90%. Tiene una conductividad térmica y eléctrica alta y se usa en electrotecnia, en atmósfera no reductora. Es el conductor clásico, se suministra deformado en frío bajo la forma de alambre, cables, barras, etc. Contiene un porcentaje medio de oxigeno de 0,04%, no se puede utilizar en soldaduras ni aplicaciones que impliquen calentamientos por encima de los 300ºC en atmósferas reductoras. • Cobre exento de oxigeno con desoxidante residual. Llamado comúnmente cobre desoxidado. Contiene un mínimo de 99,90% de cobre, entre 0,013 y 0,050 de fósforo o entre 0,004 y 0,012. Si la cantidad de fósforo libre permanece por debajo de 0,005 la conductividad eléctrica se mantiene elevada. Sin embargo, existen tenores elevados de fósforos (0,04%); en esos casos, la conductividad eléctrica es mas baja. Estos cobres pueden embutirse, estamparse, soldarse, se emplean en la fabricación de tubos para plomería o para intercambiadores de calor.
7) Aleaciones Cobre - Aluminio Se caracterizan porque tienen excelente resistencia a la corrosión marina, corrosión bajo tensión y a la corrosión fatiga, resistencia a la oxidación en caliente, buena resistencia mecánica en caliente y muy buena a temperatura ambiente y a baja temperatura, buenas características de fricción, ausencia de chispas en el choque, soldabilidad excelente, incluso sobre acero y aspecto atractivo. Existen también los llamados cuproaluminios simples (aleaciones monofásicas dúctiles en frío y aleaciones bifásicas donde aumenta la resistencia mecánica, pero limita la deformación en frío) y aleaciones con adiciones (aleaciones monofásicas que mejoran la resistencia de una fase por adiciones de hierro o níquel y aleaciones polifásicas que al agregarse manganeso o hierro refuerzan las propiedades mecánicas y al agregarse níquel mejora la resistencia a la corrosión). Estos últimos se utilizan para las hélices marinas y los alabes de las turbinas.
Aleaciones Cobre - Níquel Aleaciones con menos del 50% de níquel. Los Cuproníqueles propiamente dichos tienen contenidos de níquel que varían del 5 al 44%. Los cuproníqueles con 40-45% tienen un coeficiente de resistividad eléctrica nulo (constantan). Tienen facilidad de conformación en frío y en caliente, facilidad de moldeo, buenas características mecánicas, incluso a bajas y altas temperaturas, propiedades eléctricas especiales de los tipos con alto contenido de níquel y muy buena resistencia a la corrosión por el agua de mar que circula a grandes velocidades. Entre sus aplicaciones tenemos: • Conducción de agua de mar, limpia y contaminada, estancada o en circulación rápida. • Protección de maderas. • Aparatos de medida. • Aparatos de calefacción. • Enfundado de cables sumergidos o expuestos a atmósferas corrosivas.
Aleaciones Cobre – Berilio Son aleaciones relativamente nuevas. Se las envejece para obtener una muy alta resistencia. Cuando se las trata térmicamente se logra aumentar la resistencia a la tracción, y por los valores de su límite de fatiga se convierte en un excelente material para resortes. Sin embargo, debido al alto costo de las mismas sólo se usa para resortes pequeños y de larga duración.
Propiedades mecánicas: son muy elevadas (puede soportar los 1400 MPa) y se mantienen hasta los 300 ºC. Tiene una alta dureza y tenacidad, elevado limite de fatiga. El Be tiene menor densidad que el Al, pero su punto de fusión es mucho mas elevado (1280 ºC), es muy escaso y caro. Aplicaciones: resortes arandelas, relés, membranas, herramientas antichispa, piezas magnéticas, etc.
Aleaciones Cobre – Silicio Esta aleación de cobre – silicio, contiene menos del 5% de silicio y es la mas resistente de las aleaciones de cobre que se pueden endurecer por deformación. Tiene las propiedades mecánicas del acero de maquinaria (alta resistencia, buena ductilidad y una excelente tenacidad) y la resistencia a la corrosión del cobre. Se utiliza en tanques, recipientes a presión, y líneas hidráulicas a presión.
8) Los Latones Son aleaciones a base de cobre y zinc, contienen de 5 a 46% de este último metal y eventualmente, varios otros elementos en pequeñas proporciones. El color agradable de los latones, que varía del rosa al amarillo para contenidos crecientes de zinc, su buena resistencia a la corrosión y su aptitud para tratamientos superficiales (barnices transparentes, pátinas, recubrimientos diversos), permiten realizar económicamente objetos de bello aspecto, de larga duración y de mantenimiento fácil. Pueden ser colados, trabajados en frío o en caliente según su composición. Son fácilmente estampados, embutidos o mecanizados. Dentro de este grupo de aleaciones, se distinguen: 1. Latones simples. 2. Latones aleados.
Latones simples Son los latones industriales, que se dividen en latones hasta 33% de Zn, que son muy maleables en caliente y en frío y cuyas propiedades mecánicas aumentan con el porcentaje de cinc y con la deformación en frío; y en latones que tienen de 33% a 45% de Zn, donde las propiedades varían con el porcentaje de una fase, por encima de 455ºC pueden ser trabajados y por debajo de esta temperatura la perdida de ductilidad es compensada por un aumento de la resistencia mecánica y un buen mecanizado. Los Latones Binarios tienen características muy específicas y sus aplicaciones están relacionadas con el porcentaje de zinc que contenga la aleación. Se utilizan en: • Bisutería de fantasía. • Fundas de balas. • Aplicaciones industriales. • Instrumentos musicales. • Telas metálicas. • Radiadores de automóviles. • Accesorios de fontanería sanitaria.
Latones aleados • Los Latones Binarios o Latones Propiamente Tales • Los Latones Con Plomo • Los Latones Especiales
Latones Binarios Cobre – Zinc Los latones binarios tienen características muy específicas y sus aplicaciones están relacionadas con el porcentaje de zinc que contenga la aleación. Se los utiliza para bisutería de fantasía, discos para monedas e insignias, fundas de balas, accesorios de fontanería sanitaria, etc.
Latones con Plomo Los latones presentan grandes ventajas sobre todo para la fabricación de piezas de mecánica. Sin embargo, éstas necesitan frecuentemente un maquinado importante, por lo que se buscó mejorar la maquinabilidad de los latones agregando reducidos porcentajes de plomo (1 a 3%). Desde el punto de vista de la maquinabilidad, los latones con plomo están a la cabeza de todas las demás aleaciones. El plomo se encuentra bajo la forma de glóbulos que provocan la fragmentación de la viruta y disminuyen el rozamiento de la herramienta sobre la pieza, desde el punto de vista de la maquinabilidad, los latones con plomo están a la cabeza de todas las demás Aplicaciones de los latones con plomo: • Piezas roscadas para electrotecnia • Relojería • Válvulas para bicicletas • Elementos mecánicos diversos • Marcos de puertas, ventanas y vitrinas
Latones Especiales Los latones especiales se obtienen añadiendo uno o más elementos a los latones simples con el fin de mejorar las características de estos. Los elementos utilizados industrialmente, además del plomo, son el estaño, aluminio, manganeso, hierro, níquel, silicio y, en pequeñas proporciones, arsénico. Estos elementos se agregan para mejorar las propiedades mecánicas y aumentar la resistencia a ciertas formas de corrosión. Por sus características, los latones especiales son utilizados en la fabricación de: tubos de condensadores, tubos de evaporadores y de intercambiadores de calor, tuberías para aire comprimido e hidráulica Con el agregado de pequeñas proporciones de estaño se logra una gran resistencia a la corrosión del agua de mar, llamándose a éste latón almirantazgo. La hélice naval de latón de alta resistencia, es una aplicación de latón especial.
Los Bronces Los auténticos bronces son aleaciones de cobre y de estaño, con contenidos que varían del 2 al 20% de estaño, ya que por encima de esta proporción el material se vuelve frágil. Se caracterizan por una buena resistencia, tenacidad, y resistencia al desgaste y a la corrosión. Por todo ello se utilizan en engranajes, rodamientos y elementos sometidos a grandes cargas de compresión. Existen dos tipos de Bronces: • Bronces Simples. Están descriptos por el diagrama de equilibrio Cu-Sn.
Industrialmente, los bronces no exceden el 20% de estaño, se exceptúan el bronce para campanas (20–25%Sn) en los que la fase δ , dura y frágil, da una buena sonoridad, y el bronce para espejos (30–35%Sn). Los bronces industriales se dividen por consiguiente en dos categorías: o Bronces α : son dúctiles en caliente y en frío, sus propiedades mecánicas aumentan con el porcentaje en estaño y la proporción de deformación en frío. o Bronces α + δ : es el caso general de aleaciones para fundición y cuyas propiedades varían con el porcentaje de fase δ .
• Bronces con Adiciones. o Bronce al fósforo (CuSn8P). Contiene 90% de cobre, aproximadamente10 % de estaño y se agrega alrededor de un 0,3% de fósforo que actúa como endurecedor, formando con el cobre el compuesto Cu3P duro y frágil, que mejora la resistencia mecánica. El bronce fosforoso tiene alta resistencia y tenacidad, buena resistencia a la tracción y resistencia a la corrosión. Se utiliza en la fabricación de bombas, engranajes, resortes y rodamientos, roldadas de seguridad, chavetas y discos de embrague. o Bronce al plomo. El plomo es insoluble en la aleación. Hasta un 7% mejora la aptitud al mecanizado y a la estanqueidad. Por encima, hasta el 30%, las aleaciones se usan para resistir al desgaste. Estos bronces se utilizan para la fabricación de cojinetes. Los cojinetes que se utilizan para soportar pesadas cargas tienen alrededor de 80% de cobre, 10% de estaño y 10% de plomo. Para cargas más ligeras y velocidades mayores el contenido de plomo aumenta. Un cojinete típico de esta clase puede contener 70% de cobre, 5% de estaño y 25% de plomo. o Bronce al cinc (CuSn5Zn4). Tiene 2 % de zinc, el cinc facilita la desoxidación, mejora la colabilidad y ductilidad. Además con el agregado de plomo (<6%), este bronce se usa en griferia o válvulas de agua, vapor y petróleo. Además, se usa en coladas, al tener buena resistencia a la tracción y a la corrosión por agua de mar, se utiliza en buques, para guarniciones de tuberías y piezas de bombas. o Bronce al manganeso. Tiene 60% de cobre, 40% de cinc y manganeso hasta 3,5%. Es altamente resistente a la corrosión del agua de mar, por esto se utiliza en la fabricación de hélices de barcos y torpedos.
9) El Níquel Metal pesado que se obtiene de un mineral llamado garnierita. Posee una gran resistencia al desgaste, a la corrosión y a las altas temperaturas, es maleable y blando, y es buen conductor de la electricidad y el calor. Es utilizado para otorgar resistencia a elevadas temperaturas y a la corrosión, y resistencia en general, a una amplia gama de aleaciones ferrosas y no ferrosas. Se utiliza en 2/3 de la producción de acero inoxidable para mejorar la soldabilidad, resistencia a la corrosión, conformabilidad, resistencia a la oxidación a temperaturas elevadas y a bajas temperaturas, y la resistencia para el trabajado en frío. Tiene la propiedad única de tener la capacidad de disminuir la temperatura a la cual el acero se vuelve quebradizo. Es útil en el campo del transporte y manejo de gases licuados y en maquinaria y estructuras que actúan a bajas temperaturas. Utilizado con otros aleantes permite el desarrollo de la dureza óptima, resistencia, ductilidad y características de procesos. Se utiliza también para la fabricación de bombas hidráulicas, válvulas, recubrimientos y sobre todo en la construcción de cables eléctricos, por su capacidad conductora de electricidad. Los principales aleantes del níquel son el cromo, el molibdeno y el cobre. Las principales aleaciones que se forman con el cobre son bronce, latón y otras.
Aleaciones de níquel Ni – Ag: Se utilizan por su color, resistencia a la corrosión y elevadas propiedades en aplicaciones como elementos planos, elementos desnivelados y equipos de comunicación Se utiliza como revestimiento en recipientes e instrumental de medida por su bajo porcentaje de dilatación. Ni-Cu (67%-30%): utilizado donde es requerida fuerza y resistencia a la corrosión: equipos químicos, farmacéuticos, marinos, eléctricos, textiles. Útil contra muchos agentes corrosivos como agua de mar, ácido sulfúrico diluido y soluciones cáusticas fuertes. Ni-Cu-Si (63%-30%-40%): utilizados en aplicaciones que requieren fuerza, resistencia a la presión y resistencia a la acción de químicos y corrosión por frotamiento. Apropiado para cojinetes y elementos deslizantes y con movimiento. Ni-Cr-Mo-Cu (50%-28%-8,5%-5,5%): Utilizado en piezas con maquinabilidad donde es importante la resistencia a la corrosión, aunque también deben ser consideradas la corrosión por erosión, desgaste y corrosión por frotamiento. Se encuentra en elementos sometidos a la rotación o propulsión, hojas cortantes e impulsores de bombas, donde es requerida dureza en ambientes corrosivos,
10) El Aluminio Se obtiene a partir de la bauxita es de color blanco brillante y es muy abundante en la tierra. Posee alta conductividad eléctrica y térmica, resistencia a la corrosión, maleabilidad, facilidad de reciclaje y temperatura de fusión baja. No es tóxico, ni magnético y no produce chispa. Si bien no conduce la electricidad mejor que el cobre, su peso lo hace ideal para la fabricación de cables trenzados con alma de acero en instalaciones industriales. Debido a su bajo peso, el aluminio alcanza grandes valores de resistencia específica, lo que lo hace muy útil en aplicaciones donde el peso es un factor imperativo y se necesita reducirlo, como en la industria aeroespacial. Por su característica de ser no magnético se lo utiliza en protecciones eléctricas, como el caso de las cajas para barras conductoras.
Aleaciones de Aluminio El aluminio no aleado tiene las propiedades mecánicas muy bajas, por eso se le agregan elementos que entran como soluciones sólidas o como precipitados. Se las puede clasificar de la siguiente manera: - Sin endurecimiento estructural - Con endurecimiento estructural
Sin endurecimiento estructural Aleación Aluminio – Magnesio El magnesio aumenta las propiedades mecánicas por formación de finos precipitados, pero su capacidad de deformación queda disminuida. Estas aleaciones se usan para reemplazar al aluminio no aleado cuando se requiere leves mejoras en las propiedades mecánicas. Sin embargo a veces se limita la cantidad de precipitados que aumentan las propiedades de resistencia para mejoras propiedades específicas como la resistencia a la corrosión y la soldabilidad. Las características principales de estas aleaciones son la buena aptitud para la deformación en caliente, un buen comportamiento a bajas temperaturas, son fáciles de soldar y resisten bien a la corrosión.
Con endurecimiento estructural Aleaciones Aluminio – Cobre Son las aleaciones a las que se le agrega magnesio y silicio para aumentar las propiedades de resistencia. Se las clasifica según su uso. Aleaciones para deformación plástica: buena resistencia a la corrosión, buena aptitud para la deformación por embutido y a la soldadura. Se las utiliza en carrocería para autos. Aleaciones con resistencia mecánica elevada: tienen composiciones muy variables, ya que los elementos de aleación que se le agregan dependen mucho de la propiedad de resistencia que se quiera incrementar. Por ejemplo, para mejorar la resistencia en caliente se le agrega magnesio, níquel y hierro, mientras que para mejorar la resistencia a la tracción y la fluencia en caliente y la soldabilidad se le incorpora manganeso, titanio y circonio. Aleaciones Aluminio – Silicio – Magnesio Tienen una buena aptitud para el conformado en caliente y en frío, un buen comportamiento a bajas temperaturas y una muy buena resistencia a la corrosión. Aleaciones Aluminio – Silicio Tienen una buena colabilidad, y se usan piezas poco solicitadas mecánicamente.
Tratamientos Térmicos Los tratamientos térmicos de las aleaciones se pueden dividir en tres tipos: • • •
Tratamientos de homogeneización, Tratamientos de ablandamiento, Tratamientos de temple (endurecimiento) estructural.
Desarrollaremos sobre todo este último tratamiento que es muy importante y muy específico de las aleaciones de aluminio susceptible de endurecimiento estructural.
Tratamientos de Homogeneización Son tratamientos que involucran un calentamiento a temperatura relativamente elevada aplicada a algunos productos brutos de fundición o conformados en frío y
destinados frecuentemente a facilitar la transformación en caliente o en frío (trefilado, estirado, laminado, forjado).
Tratamientos de Ablandamiento Tienen por objetivo ablandar un metal o una aleación endurecida por el trabajo en frío o el temple estructural. En el caso del trabajo en frío los tratamientos restauran las propiedades son los recocidos re recuperación y de recristalización. En el caso de un endurecimiento estructural por temple es un recocido de precipitación, que consiste en un calentamiento prolongado a una temperatura comprendida entre la temperatura de envejecimiento y la de templado, con el objetivo de obtener un ablandamiento importante por la evolución de los precipitados provenientes de los elementos de los constituyentes de la aleación. Temple El tratamiento de temple estructural consiste en una puesta en solución sólida de precipitados seguida de un enfriamiento rápido para mantener a temperatura ambiente la solución formada a temperatura elevada. Luego se le efectúa un revenido que conduce a un endurecimiento de la aleación.
11) Aleaciones de Magnesio El magnesio es un metal ligero, más que el aluminio, y su uso se basa casi exclusivamente en su bajo peso. Sus aleaciones son fáciles de colar y particularmente adecuadas para matrizar. La maquinabilidad es muy superior a las de cualquier otro metal. Son aptas para soldadura por punto. Su desventaja es su bajo módulo de elasticidad y resistencia a la corrosión moderada, lo que obliga a utilizar grandes secciones y consecuentemente grandes cantidades de material. Pero por suerte estas estructuras son tan livianas que puede igual utilizarse una aleación de magnesio, ya que el peso de la misma estructura con otro metal seria mayor.
Clasificación del Magnesio a) Aleaciones para fundir (para moldes de fundición permanentes y de arena) • • • •
Mg-Al-Zn Mg-Tierras raras-Zr Mg-Zn-Zr Mg-Th-Zr
Mg-Al-Zn: Se utilizan donde es necesaria una Buena ductilidad y moderadamente alto límite de fluencia a temperaturas de hasta 149ºC. La fundibilidad de estos aleantes es buena. El molde tiene gran influencia en la calidad de los aleantes. Mg-Tierras raras-Zr: Utilizados a temperaturas de 177ºC a 260ºC. Su resistencia a altas temperaturas excede a los AZ, con lo cual es posible una reducción de peso. Usualmente está libre de porosidad, pero es susceptibles rechupe superficial y a inclusiones de escoria, en comparación con el AZ. Por esto, este grupo de aleaciones no puede ser moldeado en formas complicadas. Mg-Zn-Zr: Desarrollan los mayores límites de fluencia de las aleaciones para fundir y pueden ser moldeados en piezas complicadas, lo cual encarece las aleaciones. Tienen igual resistencia a la fatiga que los AZ, pero son más susceptibles a la microporosidad y a la figuración en caliente. También tienen menor soldabilidad que los AZ. La adición de Torio (Th) en el caso de ZH o Tierras raras soluciona estas deficiencias. Mg-Th-Zr: Se utilizan a altas temperaturas: 204ºC y mayores, donde se requieren propiedades superiores a las aleaciones del grupo anterior. Son más difíciles de moldear que éstos porque es dificultoso controlar las inclusiones de los óxidos y los defectos caudados por agitación.
Aleaciones deformables Se producen como barras, cizallas (con o sin formas), alambres, planchas, láminas y piezas forjadas. - a barras extruídas y con forma se les proporcionan las aleaciones AZ para los requerimientos normales de resistencia, la cual incrementa con el aumento de aluminio. - las planchas y láminas provienen del enrollamiento de Mg-Al-Zn, Mg-Th y MgTierras raras. Un buen conformado es un requerimiento importante para los materiales de los cuales se sacan planchas.
Propiedades mecánicas de las aleaciones de Mg Resistencia a la compresión: las aleaciones para fundir tienen una resistencia a la compresión aproximadamente igual a la resistencia a la tracción. En las aleaciones deformables la resistencia a la compresión es considerablemente menor que a la tracción. Dureza y resistencia al desgaste: las aleaciones de Mg tienen la dureza suficiente para todos los usos estructurales, excepto para aquellos donde existe una severa erosión. Resistencia a la fatiga: cubre una amplia dispersión, como es característico en los metales. La resistencia a la fatiga en aleaciones deformables es mayor que para aquellas que son para fundir. Propiedades a bajas temperaturas: se incrementa la resistencia a la tracción, el límite de fluencia y dureza. En general la ductilidad disminuye. Propiedades a altas temperaturas: tiene un efecto adverso al de bajas temperaturas en la resistencia a la tracción y el límite de fluencia. Maquinabilidad: pueden ser maquinadas a grandes velocidades utilizando mayores profundidades de corte para mayores cantidades de material que el que pueden proporcionar otros materiales estructurales.
Usos •
• •
Herramientas para el tratamiento de materiales: equipos de fundición, carretillas, cintas transportadoras, palas/excavadoras, tablas de acoplamiento Misiles e industria aeronáutica(se utilizan por su baja densidad) Equipos eléctricos y electrónicos
• •
Herramientas portátiles y sus componentes: martillos de impacto, taladros, lijadoras, cadenas de metal Maquinaria industrial: máquinas textiles y de impresión utilizan estas aleaciones para partes que operan a gran velocidad, donde el peso liviano se utiliza para reducir la inercia.
TRATAMIENTOS TRATAMIENTOS TÉRMICOS A esta aleación se le pueden realizar dos de los tratamientos térmicos más comunes de las aleaciones no férreas: recocido y bonificado. Según la normativa éstos se realizarán de la siguiente manera: TRATAMIENTO Temperaturas tiempos usuales
Recocido y Estabilización 260º C
Bonificado Temple 16-18 h a 415º C enfriamiento: aire
Maduración 16 h a 170º C
Los tratamientos térmicos mejoran la resistencia y dan como resultado una máxima dureza y mayor resistencia al choque. El envejecimiento artificial después del tratamiento da aún mayor dureza y límite elástico al material. El recocido disminuye las tensiones internas y aumenta la ductilidad facilitando, de este modo, el posterior mecanizado de la pieza. Además incrementando el tiempo de envejecimiento se aumenta considerablemente la tensión de límite elástico. Modificaciones sobre estos tratamientos térmicos se están desarrollando para algunas aleaciones específicas para obtener las combinaciones de propiedades mecánicas deseadas, por ejemplo, incrementando el tiempo de envejecimiento aumenta el límite elástico aún perdiendo ductilidad. TRATAMIENTOS SUPERFICIALES El magnesio puede ser utilizado en la mayoría de aplicaciones sin especial tratamiento superficial. En algunos casos el magnesio desarrolla oxidación natural y produce películas que sirven de protección en algunos ambientes severos. Sin embargo, en muchos otros casos necesitara protección adicional o acabados decorativos superficiales apropiados a su uso. Cuando se aplican, es principalmente para mejorar su aspecto y resistencia a la corrosión. La necesidad de protección superficial y de diferentes tratamientos varía ampliamente según los requerimientos estéticos, la composición de la aleación y la forma deseada. Algunos de los tratamientos posibles pueden ser: mecánicos, químicos o iónicos.
12) Stelita Material para aportación, se compone de cobalto, tungsteno, cromo y carbono. Posee una gran resistencia al desgaste debido a sus componentes de aleación, que lo hacen más duro que el acero, dureza que se mantiene constante a temperaturas mayores a 600 º C. Se utiliza para la fabricación de asientos para válvulas de escape. La stelita está formada por un 50% de cobalto, 30% de como, 18% tungsteno y 2% de carbono, donde el cobalto mejora la dureza en caliente; el tungsteno forma partículas duras y resistentes a la abrasión en los aceros de herramientas y mejora la dureza y resistencia de los aceros a altas temperaturas; el cromo aumenta la resistencia a la corrosión y oxidación, aumenta la templabilidad y resistencia a altas temperaturas, mejora la resistencia a la abrasión y al desgaste. Es una aleación no magnética y no corrosiva del cobalto. Existen varios tipos de aleaciones de stelita, con diferentes composiciones. La aleación más utilizada para el corte de herramientas es la stelita 100, la cual es resistente, mantiene una buena superficie de corte a pesar de las altas temperaturas y resiste el endurecimiento y recocido debido al calor. Otras aleaciones son formuladas para maximizar combinaciones de resistencia al desgaste, a la corrosión o la habilidad de soportar temperaturas extremas. Son materiales resistentes al calor, a la abrasión, a la corrosión y poseen la cualidad de permanecer tenaces hasta 815º, lo que los convierte en los materiales más empleados en partes de motores, turbinas de gas y herramientas de corte (por ejemplo, dientes de sierras, en las herramientas rotativas de los tornos, ya que su dureza se mantiene constante a temperaturas altas, además de ser resistente a la corrosión a altas temperaturas y de disminuir la fricción. ). Sus puntos de fusión son extremadamente altos, debido a su contenido de cobalto y cromo. Además, son capaces de trabajar a velocidades de corte mayores que las del acero de alta velocidad. Sus componentes de aleación son los que le otorgan resistencia al desgaste, mantiene su dureza y tenacidad a temperaturas superiores a los 600° (1100°F). También es resistente a la corrosión y oxidación, aún a altas temperaturas, y disminuye la fricción. En general son difíciles de maquinar debido a su dureza, por lo tanto cualquier elemento de esta aleación es caro. Debido a esto, cualquier parte será moldeada de forma tal de que el maquinado requerido sea el mínimo. El maquinado se hará por lo general por rectificado, más que por corte.
13) Carburo de Tungsteno, características, composición, y dar 4 ejemplos: El carburo de tungsteno es un compuesto cerámico formado por tungsteno y carbono. Pertenece al grupo de los carburos con composición química de W3C hasta W6C. Se utiliza, sobre todo y debido a su elevada dureza, en la fabricación de maquinarias y utensilios pensados para trabajar el acero. De esta característica también recibe su otro nombre, Widia, como abreviación del alemán "Wie Diamant" ("como el diamante"). Debido a su elevada dureza y escasa ductilidad se elaboran piezas de este material mediante sinterizado, en forma de polvo añadiendo el 6 - 10 % de cobalto. Los granos del carburo de tungsteno empleados en el proceso suelen tener diámetros de aprox. 0,5 - 1 micrómetros. El polvo se prensa y las piezas obtenidas se calientan bajo presión de 10000 - 20000 bares hasta aproximadamente 1.600 ºC, poco debajo del punto de fusión del carburo. En estas condiciones la masa se compacta por sinterización, actuando el cobalto como “pegamento” entre los granos del carburo. Gracias al conformado por sinterizado se pueden fabricar piezas de diversas formas, que no serían posibles por colada. Frente a los metales duros tiene la ventaja de mantener su dureza incluso a elevadas temperaturas. El acabado final de las piezas sólo se puede dar con métodos abrasivos, el tipo de material formado de esta manera se conoce como cermets de las siglas inglesas "ceramic metal". Ejemplos de uso: • Placas para herramientas de corte y estampado: debido a que no pierde las propiedades de corte incluso a temperaturas elevadas. • Piezas planas y de forma para mecanizado del metal: es apto debido a la alta dureza y a que mantiene sus propiedades incluso a altas temperaturas. • Piezas en bruto para cuchillas utilizadas con materiales de tipo textil, gomas y plásticos: debido a su alta dureza y bajo desgaste. • Piezas para la industria agrícola (rastrojeo, trabajo del suelo, descompactado, etc): debido a su alta dureza, la pieza sufre un bajo desgaste, no sufre deformación y mantiene sus medidas originales, permitiendo una vida útil de 4 a 10 veces mayor que las piezas de acero comunes.
14) Polímeros, termoplásticos y termorrígidos, dar 4 ejemplos de cada uno, con sus características y composición, dar 2 ejemplos de utilización de cada uno explicando por qué son aptos para esos usos: Los polímeros se producen por la unión de cientos de miles de moléculas pequeñas e iguales denominadas monómeros que forman enormes cadenas de las formas más diversas, estas cadenas pueden ser lineales, tener ramificaciones o ser entrecruzadas. Los polímeros se caracterizan por una alta relación resistencia y densidad, unas propiedades excelentes para el aislamiento térmico y eléctrico y una buena resistencia a los ácidos y solventes. Además otras propiedades importantes son su dureza, resistencia a la abrasión e impacto, transparencia (en algunos casos) y que no es tóxico. •
Los termoplásticos:
Son polímeros de cadenas largas que cuando se calientan se reblandecen y pueden moldearse a presión, al fabricarse no se generan subproductos. Y son reciclables. Representan el 80% de consumo total. Los principales son: Polietileno (PE), Polipropileno (PP), Cloruro de polivinilo (PVC), Poliestireno (PS). Polietileno: propiedades: buena inercia química, es de fácil conformado, bajo coeficiente de fricción. Composición: el monómero que se usa es el etileno. Ejemplos de uso: pomos (por la alta inercia química) y telas impermeables (debido al fácil conformado y bajo costo). Polipropileno: propiedades: buena inercia química y buena resistencia a la distorsión por variaciones de temperatura. Composición: el monómero utilizado es el propileno. Usos: cañerías (por mantener sus propiedades pese a cambios de temperatura), prendas deportivas (por no absorber agua, permite el retirarse a la transpiración del cuerpo) Cloruro de polivinilo: propiedades: buena transparencia, buena resistencia al impacto y a las condiciones ambientales. Composición: el monómero que le da origen es el cloruro de vinilo. Usos: mangueras (por la resistencia a condiciones ambientales), juguetes (por su resistencia al impacto). Poliestireno: propiedades: buena estabilidad dimensional frente a cambios de temperatura, buenas propiedades aislantes. Composición: monómero de estireno. Usos: vasos descartables y bandejas para alimento (por su estabilidad térmica y propiedades aislantes).
Continúa en la siguiente página
Continúa pregunta 14) •
Los termorrígidos:
Estos materiales se caracterizan por tener cadenas poliméricas entrecruzadas, formando una resma con una estructura tridimensional que no se funde. Polimerizan irreversiblemente bajo calor o presión formando una masa rígida y dura. Las uniones cruzadas se pueden obtener mediante agentes que las provoquen, como en el caso de la producción de las resinas epóxicas. Su fabricación genera subproductos, no son reciclables y en general son muy mejores aislantes que los termoplásticos. Algunos plásticos termorrígidos son: poliuretanos, compuestos fenólicos, resinas epoxi, compuestos poliéster. Poliuretano: propiedades: buena resistencia a las condiciones atmosféricas, buena inercia química. Composición: se fabrica a partir de ésteres del ácido carbámico. Usos: resinas para barnices (por la resistencia a las condiciones ambientales), en el área medicinal para reemplazo de arterias (debido a que el cuerpo humano no lo rechaza). Compuestos fenólicos (baquelita): propiedades: fácil moldeo, muy buen aislante, resistente al agua y a solventes. Composición: se obtiene a partir de fenol y formol. Usos: en la fabricación de artefactos eléctricos (por sus propiedades dieléctricas), mangos de cuchillos (debido a su estabilidad térmica y química). Resinas epoxi: propiedades: excelente aislante eléctrico, buena estabilidad dimensional (en su mayoría se usan como pegamento). Composición: se obtiene de la reacción del cloruro de epiclorhidrina y el dimetil. Usos: adhesivos (por ser un buen pegamento y de baja densidad), para la fabricación de laminados plásticos, con fibra de vidrio para reforzar (debido a la baja densidad y buena estabilidad dimensional). Compuestos poliéster: propiedades: buena resistencia a las condiciones atmosféricas, excelentes propiedades mecánicas. Composición: depende de cada polímero en particular que ácidos y alcoholes orgánicos se usan (para las fibras textiles se usa ácido tereftálico y etilenglicol). Usos: para la fabricación de tanques de agua, con el agregado de fibras de vidrio (debido a su resistencia a las condiciones atmosféricas), fibras textiles para la fabricación de ropa (debido a sus buenas propiedades mecánicas).
15) Vidrio, características, composición, 4 ejemplos y por qué son aptos. El vidrio se considera un líquido de elevadísima viscosidad, de estructura amorfa, con una temperatura de fusión del orden de los 1200 °C (por eso se lo conoce como líquido subenfriado). Desde el punto de vista químico resulta una mezcla de óxidos metálicos, si bien existen muchas variedades de vidrios, tienen propiedades en común: dureza, fragilidad, transparencia, resistencia química, resistencia a la compresión y a la tracción, bajo coeficiente de dilatación, refracción y dispersión de la luz. Es reciclable. Las materias primas que se utilizan para la fabricación de vidrio son: cuarzo, feldespato, bórax, carbonato de sodio, carbonato de calcio, ácido bórico (para vidrios especiales). Según el tipo de vidrio, el porcentaje de cada uno es variable. Vidrios de cuarzo: estos vidrios no son afectados por choques térmicos, su dilatación térmica es mínima, logrando una excelente estabilidad dimensional. A pesar de su escasa conducción calórica son ampliamente usados en equipos eléctricos para calefacción, además altísima resistencia a la acción de compuestos químicos. Para su fabricación se usa cuarzo y no se usan fundentes, su temperatura de fusión supera los 1700 °C. Vidrios soda-cal: son los más utilizados, con ellos se elaboran envases de todo tipo (botellas, frascos de goteros, etc). Su composición es aproximadamente: SiO2 69 a 72%, CaO 12,6 a 13,5%, Na2O 13 a 15%. Se debe tener cuidado que el contenido del envase no solubilice al mismo (se usan debido a su bajo costo). Vidrios borosilicatos (Pirex): su uso inicial fue en laboratorios químicos, pero su difusión masiva ocurrió al introducirlo en los hogares en forma de fuentes para horno, jarras para cafeteras, vasos, tazas, etc. (debido a su bajísima dilatación térmica, que les permite ser calentados bruscamente). Vidrios ópticos (vidrios “de plomo”): contienen óxido de plomo en su composición, se utilizan para fabricar lentes de instrumentos ópticos por ej: lentes de anteojos, de microscopios, etc. (tiene una altísima transparencia, buen índice de refracción y resistencia atmosférica).
16) Cerámicos, características y composición, dar 4 ejemplos de uso, explicando por qué son aptos para su uso: Los materiales cerámicos son derivados del procesamiento térmico de arcillas. Tienen una alta durabilidad (se han encontrado objetos cerámicos en yacimientos arqueológicos de hace 6000 años). Si bien los procesos de fabricación se han mantenido "iguales” desde hace siglos, se ha mejorado la calidad al utilizar materias primas más puras. Las características principales de los cerámicos son: excelente resistencia a las condiciones atmosféricas, excelente inercia química (no son afectados por ácidos, álcalis ni solventes), son dieléctricos (se usan como aislantes), su coeficiente de dilatación térmica es muy bajo y no trasmiten el calor, su resistencia mecánica es relativamente buena pese a ser materiales frágiles (se comportan mal frente a esfuerzos de tracción), presentan fenómenos piezoeléctricos (por rozamiento mecánico generan corriente eléctrica). Ejemplos de materiales: Cerámica roja (ladrillos, tejas, baldosas, etc): están hechos de arcilla o adobe, con cocción o no (los ladrillos se usan para la construcción dado su bajo costo y su buena resistencia a la compresión). Esmaltes (enlozado): se utiliza como recubrimiento de chapas metálicas que son sometidas a procesos térmicos, tales como ollas, cocinas, calefones y termo tanques (es un proceso que protege a los metales del desgaste, se utiliza dada la alta durabilidad del esmalte, si no se golpea, el desgaste del mismo es prácticamente nulo, no siendo afectado por ácidos, solventes u otro producto químico). Refractarios: son materiales utilizados en procesos térmicos, en contacto con materiales fundidos, por ejemplo, en los altos hornos o en la fabricación de vidrio (dado su alto punto de fusión, buena inercia química y bajo desgaste). Vidrios: la fibra de vidrio es utilizada como aislante térmico en cañerías y equipos frigoríficos, es ideal para ambientes con presencia de solventes o vapores ácidos (debido a la baja conducción térmica y su inercia química). También se utiliza para fabricar PRFV, plástico reforzado con fibra de vidrio (debido a la buena resistencia a la tracción que se logra al unirlo con el pegamento).
17) Cauchos, sintético y natural, obtención de cada uno, tipos, características, 2 ejemplos de utilización, explicando por qué son aptos para su uso: El caucho es una sustancia natural o sintética que se caracteriza por su elevada elasticidad, repelencia al agua y aislación eléctrica. El caucho natural se obtiene de un líquido lechoso de color blanco llamado látex, que se encuentra en numerosas plantas. El caucho sintético se prepara a partir de hidrocarburos insaturados. Una vez fabricados, la mayoría de los productos del caucho se vulcanizan bajo presión y alta temperatura. La vulcanización es un proceso en el que se somete al caucho a temperatura en una atmósfera de azufre, para mejorar su resistencia, elasticidad y vida útil. Actualmente el caucho sintético ocupa más de la mitad del mercado mundial. Caucho natural: En estado natural, el caucho aparece en forma de suspensión coloidal en el látex de plantas productoras de caucho. Una de estas plantas es el árbol del hule, originario de sur y centro América. Actualmente el 90% de la producción proviene de Asia. Se recoger el látex de las plantaciones practicando un corte en diagonal hacia abajo. El látex extraído se tamiza, se diluye en agua y se trata con ácido para que las partículas en suspensión del caucho en el látex se aglutinen. Se prensa con unos rodillos para darle forma de capas de caucho de un espesor de 0,6 cm, y se seca al aire o con humo para su distribución. El compuesto de caucho más simple es el isopreno o 2-metilbutadieno, cuya fórmula química es C5H8. El caucho puro es insoluble en agua, álcali o ácidos débiles, y soluble en benceno, petróleo, hidrocarburos clorados y disulfuro de carbono, además tiene buena resistencia atmosférica. Con agentes oxidantes químicos se oxida rápidamente, pero con el oxígeno de la atmósfera lo hace lentamente. Según la proporción de azufre-caucho en el vulcanizado, se obtiene desde caucho blando (1:40) hasta caucho duro (1:1). Usos: puede utilizarse para guantes (por la impermeabilidad y baja reacción química con solventes, ácidos débiles, etc), mangueras (debido a la flexibilidad resistencia a condiciones atmosféricas e inercia química). Caucho sintético (es un elastómero): sustancia elaborada artificialmente que se parece al caucho natural. Se obtiene por reacciones químicas, conocidas como condensación o polimerización, a partir de determinados hidrocarburos no saturados. Los compuestos básicos del caucho sintético llamados monómeros, tienen una masa molecular relativamente baja y forman moléculas gigantes denominadas polímeros. Después de su fabricación, el caucho sintético se vulcaniza.
Continúa en la siguiente página Continúa pregunta 17) Se producen varios tipos de caucho sintético: poli cloropreno (neoprene), buna S o N (compuesto por butadieno y estireno o acrilonitrilo respectivamente), caucho de butílico (poliisobuteno) y otros cauchos especiales. Como propiedades generales podemos nombrar: excelente inercia química y atmosférica (al igual que el caucho natural), es impermeable, con el agregado de negro de humo aumenta la resistencia a los rayos UV. Para cada tipo de caucho las propiedades son particulares y dependen de los agregados que tengan. Usos: el buna N no es afectado por naftas aceites o solventes, se lo utiliza para diafragmas y juntas, el caucho butílico (butadieno, isobuteno e isopreno) se utiliza en la fabricación de cámaras para neumáticos (debido a la gran resistencia al desgarramiento y excelente nivel de estanqueidad).
18) Materiales compuestos, nombrar, explicar composición y propiedades de al menos 5 tipos de materiales compuestos, con ejemplos de utilización, explicando por qué son aptos. Los materiales compuestos son materiales de ingeniería hechos de 2 o más componentes. Un componente suele ser una fibra fuerte como fibra de vidrio, cuarzo, kevlar, Dyneema o fibra de carbono que proporciona al material su fuerza a tracción, mientras que otro componente (llamado matriz) que suele ser una resina como epoxy o poliéster que envuelve y liga las fibras, transfiriendo la carga de las fibras rotas a las intactas y entre las que no están alineadas con las líneas de tensión. También, a menos que la matriz elegida sea especialmente flexible, evita el pandeo de las fibras por compresión. Algunos compuestos utilizan un agregado en lugar de, o en adición a las fibras. En términos de fuerza, las fibras sirven para resistir la tracción, la matriz para resistir las deformaciones, y todos los materiales presentes sirven para resistir la compresión, incluyendo cualquier agregado. Los golpes o los esfuerzos cíclicos pueden causar que las fibras se separen de la matriz, lo que se llama delaminación. Ejemplos: Plástico reforzado de fibra de vidrio (PRFV), Cermet (cerámica y metal), Laminado metal-intermetal, fibra de carbono, poliviniliden difluoruro (PVDF).
PRFV: es un material compuesto, constituido por una estructura resistente de fibra de vidrio y un material plástico que actúa como aglomerante de las mismas. El refuerzo de fibra de vidrio, provee al compuesto: resistencia mecánica, estabilidad dimensional, y resistencia al calor. La resina plástica aporta: resistencia química dieléctrica y buen comportamiento a la intemperie. Además posee una baja densidad. Debido a la buena relación peso-resistencia, a que no son afectados por microorganismos, no son afectados por la corrosión, ni se depositan incrustaciones, se fabrican tanques y caños para el transporte de fluidos. Cermet: es un material compuesto por un material cerámico y uno metálico, por ejemplo alumina y níquel, zirconio y níquel, carburo de tungsteno o de titanio con cobalto o níquel. El material metálico se usa para mantener unido al cerámico, las propiedades dependen del tipo de composición que tenga, pero en general soportan altas temperaturas, saltos térmicos y tienen buena resistencia al desgaste. Se usa en la fabricación de resistores (especialmente potenciómetros), capacitores y otros componentes electrónicos sometidos a altas temperaturas (debido a que soporta altas temperaturas). Otro uso en desarrollo es en la industria aeroespacial, como protección contra el choque de micro meteoritos, debido a que soportan mejor los impactos que los metales que actualmente son utilizados (debido a la buena tenacidad).
Continúa en la siguiente página
Continúa pregunta 18) Hormigón armado: es un tipo de material compuesto muy utilizado en la construcción, resulta de la mezcla de uno o más conglomerantes (generalmente, se usa cemento) en un mallado de acero, con arena, piedra, agua y, eventualmente, aditivos y adiciones para darle características particulares. El cemento se hidrata en contacto con el agua, iniciándose complejas reacciones químicas que derivan en el fraguado y endurecimiento de la mezcla, obteniéndose al final del proceso un material con consistencia pétrea. El hormigón armado es de amplio uso en la construcción siendo utilizado en edificios de todo tipo, caminos, puentes, presas, túneles y obras industriales. El acero le brinda mayor resistencia a la flexión y al corte, pues el hormigón carece de ductilidad (es frágil), en zonas sísmicas hay una cantidad mínima de acero, para brindar mayor ductilidad a la estructura. El hormigón armado es muy utilizado debido a que tiene una gran resistencia a la compresión, dependiendo de la cantidad de acero que se le coloca la estructura puede adquirir mayor ductilidad, tiene alta inercia química y excelente resistencia tanto a las condiciones atmosféricas como a los cambios de temperaturas, por último tiene una larga vida útil (existen estructuras de más de 100 años de antigüedad). Fibra de carbono: es un material compuesto de plástico reforzado con grafito o con fibras de carbono. La matriz plástica es habitualmente epoxy aunque otros plásticos, como el poliéster o el viniléster también se usan como base para la fibra de carbono. Es un material con un costo elevado, pero es fuerte y ligero (si la forma es adecuada, como por ejemplo de panal de abejas, es más resistente que el acero). Tiene muchas aplicaciones en la industria aeronáutica y automovilística (debido a su bajísimo peso y su alta resistencia a la rotura), al igual que en barcos y en bicicletas, dónde su fortaleza y ligereza son muy importantes. También se está haciendo cada vez más común en otros artículos de consumo como trípodes y cañas de pesca PVDF: es un material plástico conductor de corriente eléctrica, esto se logro con la inserción en las cadenas carbonadas de átomos de la familia de los halógenos, como por ejemplo flúor. Según el proceso de elaboración del PVDF, se pueden obtener materiales de características piezoeléctricas o piroeléctricas. Los materiales piezoeléctricos generan una corriente eléctrica cuando sufren una deformación al ser sometido a una presión o esfuerzo mecánico, permitiendo construir micrófonos de espesor fino que responden al sonido produciendo una corriente proporcional a la deformación causada por las ondas sonoras (de forma inversa, si la corriente es la aplicada, este material puede usarse como parlante), se construyen equipos con este material para detectar la magnitud de impactos mecánicos. Sobre la base de las características piroeléctricas se construyen equipos de alta sensibilidad que permiten detectar la radiación infrarroja emitida por una persona a una distancia de 30 metros.
Material consultado: Ciencia de Materiales para Ingeniería - Carl A. Keyser ed. Limusa Wiley Materiales y Procesos de Fabricación - E. Paul DeGamo ed. Reverte Fundiciones - J. Apraiz Barreiro ed. Dossat Templabilidad - P.J Maroni ed. Libreria Mitre Apuntes de la materia “Materiales Metálicos”, autor Ing. G. Merlone Apuntes de la materia “Química Aplicada”, autor Ing. M. Pelissero Internet (wikipedia)
