Metalls no ferrics i materials no metal·lics # Metales no férricos y materiales no metálicos

TECNOLOGIA INDUSTRIAL
METALLS NO FÈRRICS Y MATERIALS NO METÀL.LICS
ÍNDEX
Metalls no fèrrics 1−7
Metalls d'aplicació industrial 1−5
El Magnesi i els seus aliatges ultralleugers 1
El Titani 1
El Plom 2
L'Estany 3
El Zinc 3
El Níquel 4
Altres metalls no fèrrics 5
Polverimetal.lúrgia 5−6
Fabricació de pólvores 5
Compressió de pólvores 6
Sinterització 6
Materials no metàl.lics 7−12
Les fustes 7−8
Fusta natural 7
Fusta artificial 8
Ceràmiques 9
Propietats de les ceràmiques 9
Classificació 9
Fibres tèxtils 10−11
Classificació 10
1
Propietats 11
Materials compostos 12
Bibliografía 13
METALLS NO FÈRRICS
Metalls d'apliació industrial
El magnesi i els aliatges ultralleugers
El magnesi és un metall lluent con la plata que té com a principal propietat la seva baixa densitat (1,74
g/cm3), menor fins i tot que la de l'alumini. La temperatura de fusió és baixa (650ºC), resisteix molt bé la
corrosió a l'aire sec però molt poc a l'aigua o a la humitat i té molt poca plasticitat a temperatura ambient.
El magnesi és present a l'aigua del mar (MgCl2, clorur de magnesi) en una proporció de l'11% del pes total de
les seves sals.
En els aliatges de magnesi utilitzats industrialment s'obtenen afegint alumini, zinc i manganès principalment.
L'alumini proporciona una millora de les propietats mecàniques i facilita l'emmotllament, el zinc aporta
plasticitat i el manganès augmenta la resistencia a la corrosió. Per tal de millorar les propietats mecàniques
dels aliatges del magnesi, els són aplicats tractaments tèrmics com el tremp i la recuita, per millorar−ne la
resistencia a la corrosió, s'apliquen tractaments superficials per tal de dotar−los d'una capa d'òxid estable que
els protegeixi.
Propietats del magnesi pur
Magnitud
Valor
Unitats
Densitat
1,74
g/cm3
Punt de fusió
650
ºC
Resis. Electr.
0,0445
. mm2/m
Cond. Tèrm.
Modul elastic
Limit elastic
Resist. Trencam.
Allargament
Duresa
157,17
45.000
41
165
6
30
W/mºC
N/mm2
N/mm2
N/mm2
%
HB
Propietats mecàniques d'alguns aliatges
ultralleugers
R
(%)
Composició
(N/mm2)
>99% Mg
165
6
91,3%
294
2
Mg+Al+Zn+Mn
94,8%
235
5
Mg+4,5%Zn+Zr
98% Mg + 2% Mn 196
2
HB
30
75
65
45
El titani
El titani és un metall relativament lleuger, amb un valor de densitat a mig camí entre l'alumini i l'acer però
que, en canvi, és molt més resistent als esforços mecànics que els altres metalls més lleugers: l'alumini i el
magnesi. També és molt resistent a la corrosió en molts ambients, especialment al clor. L'inconvenient
d'aquest metall és el seu elevat preu.
2
El titani forma aliatges amb l'alumini, l'estany, el crom i el vanadi. Les aplicacions del titani es troben
bàsicament a les indústries aeronàutica, aeroespacial, naval, petroliera i química en general.
Propietats del titani
Magnitud
Densitat
Punt de fusió
Resistivitat elèctrica
Conductivitat tèrmica
Mòdul elàstic
Límit elàstic
Resistencia al trencament
Allargament
Duresa
Valor
4,51
1670
0,02
17
107.000
240
330
30
265
Unitats
g/cm3
ºC
. mm2/m
W/mºC
N/mm2
N/mm2
N/mm2
%
HB
El plom
El principal mineral d'on sobté és la galena, formada per sulfur de plom (PbS).
El plom és un metall molt dens, amb una baixa resistencia a la tracció, tou, mal.leable i que no presenta
acritud. Té un punt de fusió baix, és resistent a la corrosió per aire, per aigua (excepte la destil.lada) i per àcids
(excepte nítric). A causa de les seves propietats mecàniques pobres, el plom no té aplicacions estructurals.
Aprofitant la seva resistencia a la corrosió, és emprat com a revestiment interior de dipòsits destinats a
contenir àcids a la industria química.
El plom forma aliatge amb l'antimoni (Sb), que li confereix duresa, i s'aplica en l'elaboració de plaques
d'acumuladors eléctrics. Amb l'estany forma aliatges útils en soldadura perquè té un punt de fusió baix. Amb
antimoni i estany s'utilitza per a l'obtenció de tipus (lletres) d'impremta. També s'empren aliatges de plom i
coure com a revestiment antifricció dels coixinets.
El principal inconvenient del plom i dels seus compostos és la seva elevada toxicitat.
Propietats del plom
Magnitud
Densitat
Punt de fusió
Resistivitat elèctrica
Conductivitat tèrmica
Mòdul elàstic
Límit elàstic
Resistencia al trencament
Allargament
Duresa
Valor
11,36
327
0,205
34,95
14.700
3,5
19,6
50
6,9
Unitats
g/cm3
ºC
. mm2/m
W/mºC
N/mm2
N/mm2
N/mm2
%
HB
L'estany
La casiterita és el mineral d'on sobté l'estany. El procés d'obtenció consisteix en la reducció del mineral amb
carboni dins un forn. L'estany és tou, dúctil i molt mal.leable, però poc resistent a la tracció. És resistent a la
3
corrosió de l'aire a temperatura ambient i també a molts productes químics. La principal aplicació de l'estany
és el revestiment de fines làmines d'acer, formant el que es coneix com a llauna.
L'estany és emprat com a element d'aliatge amb el coure per a la formació dels bronzes; amb el plom, per a
l'obtenció de material de soldadura; amb el plom i el bismut, per a la fabricació de fusibles elèctrics, i amb
l'antimoni i el coure, per a l'obtenció de materials antifricció per a coixinets.
Propietats de l'estany
Magnitud
Densitat
Punt de fusió
Resistivitat elèctrica
Conductivitat tèrmica
Mòdul elàstic
Límit elàstic
Resistencia al trencament
Allargament
Duresa
Valor
7,3
232
0,13
63,87
53.900
2,55
34,3
40
12
Unitats
g/cm3
ºC
. mm2/m
W/mºC
N/mm2
N/mm2
N/mm2
%
HB
El zinc
El zinc s'obté de la blenda, que és un mineral ric en sulfur de zinc (ZnS). Aquest metall resisteix la corrosió en
aigua i en aire. Les seves principals aplicacions són les làmines per a revestiments de recipients i dipòsits i la
galvanització d'objectes d'acer, com ara xapes, cargols, tubs, etc. Aquesta galvanització consisteix en el
revestiment de l'acer amb una fina capa de zinc per immersió de les peces en zinc fos.
Algunes petites peces utilitzaces en la industria automobilística (manetes, panys, carburadors, etc.) són
elaborades a partir d'aliatges de zinc amb alumini, magnesi i coure. Aquests aliatges s'anomenen ZAMAK.
Propietats del zinc
Magnitud
Valor
Unitats
Densitat
Punt de fusió
Resis. Electr.
Cond. Tèrm.
Modul elastic
Limit elastic
Resist. Trencam.
Allargament
Duresa
7,13
419,5
0,057
112
103.500
−?−
117
32
36
g/cm3
ºC
. mm2/m
W/mºC
N/mm2
N/mm2
N/mm2
%
HB
Propietats mecàniques d'alguns aliatges ZAMAK
R
(%) HB
Composició
(N/mm2)
>99%Zn
117
32
36
95,9%Zn+Al+Mg
281
10
82
94,9%Zn+Al+Cu+Mg 326
7
91
93%Zn+4%Al+3%Cu 322
8
100
El níquel
És un metall de color blanc molt lluent que no és alterat ni per l'aire ni l'aigua ni el mar ni molts compostos
químics. És mot mal.leable, magnètic i resistent a la tracció i al desgast. S'utilitza per a la fabricació
d'instrumental quirúrgic i de laboratori. El niquelat és un altra aplicació important i consisteix en el
revestiment per mitjans electrolítics de peces metàl.liques amb una fina capa de níquel que ofereix protecció
4
contra la corrosió i un acabat lluent molt atractiu.
El níquel forma aliatges com ara:
• Permalloy (78%Ni+22%Fe), amb una aplicació en la construcció de nuclis magnètics de motors i
transformadors per la seva elevada permeabilitat magnética.
• Nikrotal (75%Ni+17%Cr+Si+Mn), amb aplicació en la fabricació de resistències elèctriques de
precisió, ja que tenen un coeficient de variació de la resistivitat amb la temperatura molt baixa.
• Invar. (33%Ni+66%Fe+1%Cr), amb una conductivitat térmica i coeficient de dilatació molt baixos.
Propietats del níquel
Magnitud
Valor
Densitat
8,9
Punt de fusió
1.455
Resistivitat elèctrica
0,11
Conductivitat tèrmica
80
Mòdul elàstic
207.000
Límit elàstic
138
Resistencia al trencament
483
Allargament
40
Duresa
85
Altres metalls i aliatges metàl.lics
Unitats
g/cm3
ºC
. mm2/m
W/mºC
N/mm2
N/mm2
N/mm2
%
HB
La indústria utilitza molts altres metalls com ara: l'urani, el crom, el platí, el mercuri, la plata, l'or, etc. L'urani
i el plutoni s'utilitzen, aprofitant la seva radiactivitat, com a combustibles a les centrals nuclears productores
d'energía eléctrica. Amb el cobalt es realitzen aliatges amb propietats magnètiques per a aplicacions
electrotècniques.
L'elevada resistencia a la corrosió del crom és utilitzada per a revestiments protectors d'altres metalls i per a
l'obtenció de l'acer inoxidable. El platí s'utilitza com a catalitzador a la industria petroquímica i per reduir la
contaminació dels gasos d'escapament dels motors de benzina.
Polverimetal.lúrgia
La polverimetal.lúrgia consisteix en la conformació de peces a partir dels materials components en forma de
fines pólvores, i consta de tres fases: fabricació de les pólvores, compressió i sinterització.
Fabricació de les pólvores
La materia primera que utilitza la polverimetal.lúrgia són los polvores de metalls purs, d'aliatges metàl.lics o
d'altres compostos, com ara els carburs metàl.lics i les ceràmiques. Per a la fabricació de les pólvores
metàl.liques existeixen molts procediments diferents:
• Atomització: Consisteix a aplicar un corrent de gas a pressió damunt d'un raig de metall fos, la qual
cosa provoca la descomposició del raig de metall en partícules molt fines que donen lloc a les
pólvores.
• Reducció d'òxids: Consisteix en l'obtenció de partícules molt fines d'òxid del metall desitjat que són
més fràgils i fàcils d'esmicolar que el metall pur, i sometre−li a un corrent de gas reductor a uns
1000ºC que, en combinar−se amb l'oxigen dels òxids, redueix el metall.
5
Exemple:
MoO3 + 3H2 Mo + 3H2O
Compressió de les pólvores metàl.liques
Les pólvores són introduïdes en un motlle amb forma de la peça que volem obtenir i, amb premses
hidràuliques, els és aplicada una pressió elevada (en alguns casos pot arribar als 100.000 N/mm2). Aquesta
compressió fa que entrin en contacte les superficies de les partícules del material i que es produeixin unions
entre els àtoms superficials (difusió), en un procés similar a una soldadura en fred.
Sinterització
Per tal d'augmentar la cohesió i la tenacitat de les peces comprimides i aconseguir així que es comportin com
una massa compacta, s'introdueixen en un forn i són sotmeses a temperatures elevades. Aquest procés
afavoreix la unió dels àtoms iniciada a la fase anterior. Les temperatures de sinterització son inferiors a la de
la fusió dels productes utilitzats i s'apliquen durant un temps de 15 minuts i 2 hores.
MATERIALS NO METÀL.LICS
Les fustes
La fusta és un material natural amb una estructura complexa i no homogènia que bàsicament està formada per
molècules de cel.lulosa reforçades per una substància polimèrica anomenada lignina. Avui dia disposem d'una
gran varietat de productes que tenen com a base la fusta:
• Fusta
• Natural
• Dura
• Roure, Noguera, Tec...
• Tova
• Pi, Cedre, Xiprer...
• Artificial
• Contraplacada
• Aglomerada
• De partícules
• De fibres
• Sense resina (Tablex)
• Amb resina (DM)
• Enllistonada
Fusta natural
S'obté dels arbres a partir d'un procés de tala i desbrancatge abans de passar a la serradora. A la industria de la
fusta, els arbres es classifiquen en arbres de fusta tova i arbres de fusta dura. Els de fusta tova són arbres de
fulla perenne com ara el pi i l'avet, en canvi els de fusta dura son de fulla caduca com el roure i el faig.
La fusta acabada de tallar es troba en estat de fusta verda, amb un contingut d'humitat molt elevat que fa que
no sigui aprofitable. El contingut d'humitat de les fustes s'expressa en tants per cent, segons la següent
expressió:
Humitat=[(Pes de la fusta humida − pes de la fusta seca) / pes de la fusta seca] x 100
6
L'assecatge es fa a l'aire lliure durant un any o bé en forns d'aire calent durant sis o set setmanes. Un cop
superada la fase d'assecatge, les fustes passen per un procés de reasserratge i ribotejat per tal de donar−li les
dimensions i l'aspecte definitius abans de ser comercialitzades.
Fusta artificial
Els productes elaborats a partir de la fusta acostumen a presentar−se en forma de taulers de diferents tipus:
taulers de xapes, taulers de partícules, taulers de filons, taulers de llistons i xapes naturals i sintétiques.
Taulers de xapes (contraplacats)
S'aconsegueixen encolant xapes de fusta natural de forma que les direccions de les vetes de les xapes
contigües formin un angle de 90º.
Taulers de partícules (aglomerats)
Formats a partir d'encenalls o partícules amb una grandària controlada encolades amb resines sintètiques a
base de formaldehid i premsades per tal d'aconseguir la polimerització.
Taulers de fibres (Tablex i DM)
El Tablex està format a partir de fibres de fusta (molt més petites que les partícules dels aglomerats), que són
premsades humides i sense encolar. El DM està format també a partir de fibres de fusta però premsades en sec
i encolades amb resina sintètica formant làmines que després es tornen a premsar en calent.
Taulers de llistons (enllistonats)
Formats a partir de llistons de fusta tova encolats lateralment amb resines sintètiques i revestits per les dues
cares amb dues o quatre xapes de fusta dura amb la veta entrecreuada, com es fa amb el contraplacat.
Xapes naturals
S'obtenen amb talls tangencials del tronc utilitzant esmolades fulles de tall d'acer especial i amb un gruix entre
0,3 i 0,6 mm. Quan han de ser utilitzades en l'elaboració de contraplacats s'obtenen amb un tall perifèric i amb
un gruix entre 1,6 i 3,2 mm.
Xapes sintètiques
S'obtenen a partir de resines sintètiques, generalment de melamina−formaldehid o bé de fenol−formaldehid.
Aquestes resines termoestables poden tenir acabats de fantasia o imitar la fusta natural, amb la combinació de
diferents textures i colors.
Les ceràmiques
Les ceràmiques son materials formats per combinacions d'elements metàl.lics i no metàl.lics units per enllaços
iònics.
Propietats de les ceràmiques
Les propietats més comunes de les ceràmiques son les següents: fràgils, dures, poc resistents a la tracció, molt
resistents a la compressió, baixa conductivitat térmica, elevada temperatura de fusió i molt baixa conductivitat
eléctrica.
7
Una de les propietats més importants dels materials ceràmics són les relacionades amb l'aïllament elèctric. En
electrónica s'utilitzen els CONDENSADORS. El paràmetre més important de un condensador es la seva
capacitat:
C = (A/L)
C és la capacitat del condensador
és la constant dielèctrica del material aïllant sense unitats
A és la superficie de les plaques enfrontades
L és la distancia de separació entre plaques.
Classificació de les ceràmiques
Podem classificar els materials ceràmics, segons les seves aplicacions, en argiles, ciments, refractaris, vidres i
abrasius.
Argiles
Es troben fàcilment a la natura i en afegir−hi aigua es transformen en una massa plástica a la qual es pot donar
molt fàcilment la forma desitjada. Aquesta massa adquireix les propietats d'una ceràmica després dels canvis
químics produïts a les fases d'assecatge i de cocció. Dins de les argiles podem distinguir entre les estructurals i
les porcellanes.
Ciments
Podem incloure els següents materials: el ciment Pórtland, el guix i la calç. En ser barrejats amb aigua, donen
lloc a una massa plástica, com en el cas de l'argila, que és molt fàcil de conformar. L'enduriment dels ciments
s'aconsegueix mitjançant complexes reaccions químiques.
Refractaris
Aquestes ceràmiques soporten altes temperatures sense fondres, no reaccionen químicament amb els elements
amb què entren en contacte i produeixen un gran aïllament tèrmic.
Els refractaris poden ser a partir d'aluminia, de sílice o de magnesia.
Vidres
Els vidres són materials ceràmics formats per la fusió de sílice amb altres òxids i que tenen una estructura de
sòlid amorf. A temperatura ambient, els vidres poden ser considerats líquids de gran viscositat, amb una gran
transparencia, fragilitat i duresa com a principals propietats.
Tipus de vidre
Tant per cent de composició en pes
Sílice fosa
Vycor
Pirex
SiO2
99,5
96
81
Na2O
3,5
CaO
Al2O3
Característiques i
aplicacions
B2O3 Altres
4
13
Resistent al xoc térmic
Resist xoc tèrmic i atac qu
Resist xoc tèrmic i atac qu
8
Envasos
Fibra de vidre
Òptic (Flint)
Vitroceràmica
74
55
54
70
16
5
16
1
15
10
1
4MgO
4MgO
37PbO+8K2O
4,5TiO2+2,5Li2O
Facilitat de conformació.
Facilitat per trefilar
Alta densitat i ind. Refracc
Resist. Mecánica i xoc tèr
Abrasius
S'anomenen ceràmiques abrasives a les que s'utilitzen per polir, esmolar i tallar acers, ja que necesiten ser més
durs, resistents al desgast, tenaços i refractaris.
El material més dur és el diamant, però és car i fràgil per a moltes aplicacions. Les ceràmiques abrasives més
usuals es formen a partir de carbur de silici, alúmina fosa o corindó, carbur de tungstè i òxid de zirconi. Són
utilitzats en forma de pólvores, ja sigui soltes, fixades en làmines o fulls flexibles aglomerades amb resines
orgàniques en forma de rodes, sinteritzades en forma d'eines de tall.
Les fibres tèxtils
La principal aplicació de les fibres tèxtils és la filatura i el posterior tissatge per a la confecció de roba. Però hi
ha altres tipus de fibres que tenen altres aplicacions industrials com a aïllants, filtres, per a cordes i com a
component dels materials compostos.
Classificació de les fibres tèxtils
Les fibres, segons el seu origen, es poden classificar en:
• Fibres
• Vegetals
• Del fruit
• De la tija
• De la fulla
• Naturals
• Animals
• d'ovelles
• de cabres
• de conills
• altres
• Minerals Amiant
• Artificials Raió
• Raió−cuproamoniacal
• Raió−viscosa
• Raió−acetat
• Sintètiques
• Poliamides
• Polièsters
• Poliacrilonitrils
• Poliuretans
Les fibres vegetals tenen com a component bàsic la cel.lulosa i les més importants són el cotó i el lli. Les
fibres animals s'obtenen del pel de diferents animals. L'única fibra mineral natural es l'amiant, que destaca per
la seva incombustibilitat.
9
Les fibres artificials s'obtenen per la transformació de productes naturals a partir de cel.lulosa principalment.
Les fibres sintètiques no necesiten cap producte natural per a la seva elaboració, sinó que s'obtenen
directament a partir dels seus components elementals. Aquest tipus de fibres son polímers.
Propietats i aplicacions
• La resistencia a la tracció
• L'elasticitat
• Uniformitat
• Higroscopicitat
• Aïllament tèrmic
• Suavitat al tacte
• Resistencia als productes químics.
Els materials compostos
Per tal de satisfer les necessitats que ens en presentin han estat desenvolupats els anomenats compòsits o
materials compostos.
Els materials compostos estan formats per dos o més materials de composició, forma i grandària diferent.
Alguns dels materials compostos més utilitzats son el formigó, les resines polimèriques reforçades amb fibres
i els contraplacats i emparedats.
Formigó
El formigó és un material compost que és format per ciment Pórtland, sorra i grava. Presenta una alta
resistencia a la compressió.
Resines reforçades amb fibres
Aquests grups de materials són formats per fibres que aporten resistencia a la tracció i rigidesa situades a
l'interior d'una massa de resina polímerica que aporta tenacitat. La gran importància d'aquests materials
compostos es posa de manifest quan es comparen els seus valor de resistencia en funció de les seves densitats.
Aquesta relació s'anomena RESISTENCIA ESPECÍFICA.
Contraplacats i emparedats
Els contraplacats i emparedats són dues tècniques d'elaboració de materials compostos que tenen com a
objectiu comú l'obtenció de materials lleugers, rígids i resistents.
BIBLIOGRAFÍA
Tecnología Industrial I
McGrawHill 1998 1ª edició.
−1−
−2−
−3−
10
−4−
−5−
−6−
−7−
−8−
−9−
− 10 −
− 11 −
− 12 −
− 13 −
11