Materiales de partida 33 Ana Rosa Escamilla Mena

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Materiales de partida 3.
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MATERIALES DE PARTIDA
Se ha partido de tres tipos de materiales: Cobre, Cobalto e Hierro. Cada uno presenta una
de las tres estructuras cristalinas típicas de los metales (el 90% de los metales presenta
una de estas tres estructuras), de ahí, la elección de estos tres tipos de materiales.
El cobre presenta estructura cúbica centrada en las caras (FCC); el hierro presenta
estructura cúbica centrada en el cuerpo (BCC) el cual presenta alotropía, es decir, a
temperatura ambiente su estructura es BCC, mientras que a temperaturas superiores a
912ºC su estructura es FCC; el cobalto presenta estructura hexagonal compacta (HCP) a
temperatura ambiente, y a temperaturas superiores ocurre lo mismo que en el caso del
hierro.
La mayoría de los materiales ingenieriles, con excepción de los vidrios, polímeros y
geles, son de naturaleza cristalina, es decir, muestran un ordenamiento de sus átomos o
iones en las tres direcciones del espacio. Este ordenamiento atómico puede representarse
dibujando una red de líneas en las tres dimensiones del espacio (llamada red espacial) y
asimilando o colocando cada átomo o ión en los puntos de intersección de dicha red.
Cada red espacial puede describirse especificando las posiciones atómicas en una celdilla
unitaria que se repite.
Los dos tipos de celdillas más importantes son la que tienen el cobre, hierro y cobalto, es
decir, la celdilla cúbica y la celdilla hexagonal. A continuación se definen las tres
estructuras principales:
•
Estructura cúbica centrada en el cuerpo (BCC)
Es la que presenta el hierro. En esta estructura, los átomos (asimilados a esferas
compactas) están situados en los vértices de una celdilla unitaria cúbica y en su
centro. El parámetro de la red, a, es la longitud de la arista de la celda unitaria.
Para el hierro, este valor es 0,287nm.
A continuación se muestra la estructura BCC (figura 1).
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36 Materiales de partida Figura 1: Estructura BCC
•
Estructura cúbica centrada en las caras (FCC)
Es la que presenta el cobre. En esta estructura, los átomos están situados en los
vértices de una celdilla unitaria y en el centro de las caras. Al igual que en la
estructura anterior, el parámetro de la red, a, es la longitud de la arista de la celda
unitaria. Para el cobre, este valor es 0,362nm.
A continuación se muestra la estructura FCC (figura 2).
Figura 2: Estructura FCC
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Materiales de partida •
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Estructura hexagonal compacta (HCP)
Es la que presenta el cobalto. En esta estructura, los átomos ocupan los vértices de
un prisma hexagonal regular, los centros de las bases y los centros de los
triángulos alternativos en que puede descomponerse la sección media del prisma.
Los parámetros reticulares de esta estructura son a (la arista de la base) y c (la
altura del prisma). Para el cobalto, estos valores son 0,2507nm y 0,4069nm
respectivamente.
A continuación se muestra la estructura HCP (figura 3).
Figura 3: Estructura HCP
Es importante mencionar que, las estructuras FCC y HCP son estructuras más densas que
la BCC. De hecho, las dos primeras son, estructuras que se le denominan de MÁXIMA
DENSIDAD DE EMPAQUETAMIENTO, es decir, estructuras en las que los átomos
están empaquetados del modo más compacto posible. No existen otras estructuras con
mayor densidad de empaquetamiento.
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38 Materiales de partida A continuación, se define cada material.
•
Cobre: es el elemento químico de número atómico 29 y símbolo Cu, situado en
el grupo 11 de la tabla periódica de los elementos.
Se trata de un metal de transición de color rojizo y brillo metálico que, junto con
la plata y el oro, forma parte de la llamada familia del cobre. Se caracteriza por
ser uno de los mejores conductores de electricidad (el segundo después de la
plata). Gracias a su alta conductividad eléctrica, ductilidad y maleabilidad, se ha
convertido en el material más utilizado para fabricar cables eléctricos y otros
componentes eléctricos y electrónicos. En la parte experimental del presente
proyecto, se verá que posee estas características.
El cobre es componente de una cantidad muy elevada de aleaciones que
generalmente presentan mejores propiedades mecánicas que el cobre puro, aunque
tienen una conductividad eléctrica menor. Las más importantes son conocidas con
el nombre de bronces y latones. En el proyecto se analiza el cobre puro. Por otra
parte, el cobre es un metal duradero porque se puede reciclar un número casi
ilimitado de veces sin que pierda sus propiedades mecánicas.
•
Cobalto: es el elemento químico de número atómico 27 y símbolo Co situado en
el grupo 9 de la tabla periódica de los elementos.
El cobalto es un metal ferromagnético, de color blanco azulado. Su temperatura
de Curie es de 1388K. Normalmente se encuentra junto con el níquel, y ambos
suelen formar parte de los meteoritos de hierro.
Está comúnmente constituido de una mezcla de dos formas alotrópicas con
estructuras cristalinas hexagonal y cúbica centrada en las caras siendo la
temperatura de transición entre ambas de 722K. En el presente proyecto se utiliza
cobalto puro.
Se emplea sobre todo en superaleaciones de alto rendimiento, siendo éstas
normalmente más caras que las de níquel.
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Hierro: es un elemento químico de número atómico 26 y símbolo Fe situado en
el grupo 8 de la tabla periódica de los elementos.
Este metal de transición es el cuarto elemento más abundante en la corteza
terrestre, representando un 5% y, entre los metales, sólo el aluminio es más
abundante. El núcleo de la Tierra está formado principalmente por hierro y níquel,
generando al moverse un campo magnético.
Es un metal maleable, de color gris plateado y presenta propiedades magnéticas;
es ferromagnético a temperatura ambiente y presión atmosférica. Es
extremadamente duro y denso. Su temperatura de Curie es de 1043K.
Se encuentra en la naturaleza formando parte de numerosos minerales, entre ellos
muchos óxidos, y raramente se encuentra libre. Para obtener hierro en estado
elemental, los óxidos se reducen con carbono y luego es sometido a un proceso de
refinado para eliminar las impurezas presentes.
En la tabla 3, se muestran las principales propiedades referidas a los materiales definidos
anteriormente: Cobre, Cobalto e Hierro [13].
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40 Materiales de partida Propiedades:
Cobre (Cu)
Punto de fusión (ºC)
Cobalto (Co)
Hierro (Fe)
1084,62
1495
1538
2927
2927
2861
1842,23
1432
1323
Módulo de Young (GPa)
130
209
211
Módulo de rigidez (GPa)
48
75
82
Módulo de compresibilidad
140
180
170
0,34
0,31
0,29
1,72 x 10-8
6 x 10-8
10 x 10-8
Densidad del sólido (kg m-3)
8920
8900
7874
Volumen molar (cm3)
7,11
6,62
7,09
Velocidad del sonido (m s-1)
3570
4720
4910
3,0
5,0
4,0
369
1043
608
400
100
80
16,5 x 10-6
13,0 x 10-6
11,8 x 10-6
Punto de ebullición (ºC)
Gama líquida (K)
Propiedades elásticas:
(GPa)
Coeficiente de Poisson
Propiedades eléctricas:
Resistencia eléctrica (Ω m)
Propiedades compresibilidad:
Dureza:
Dureza Mineral
-2
Dureza Vickers (MN m )
Propiedades de expansión y
conducción:
Conductividad térmica (W m-1
K-1)
Coeficiente de dilatación térmico
lineal (K-1)
Tabla 3: Propiedades de cada uno de los materiales a estudiar
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4.1. Características de los polvos iniciales
Se parte de material de cobre puro en polvo y granulado, material de hierro puro
granulado y material de cobalto puro granulado proveniente de la empresa austriaca RHP
Technology.
Un polvo, como se ha comentado anteriormente, está definido como un sólido finamente
dividido, de tamaño de partícula más pequeño que 1mm. En este caso el polvo siempre
será de un elemento puro metálico. Una característica importante del polvo es la relación
alta entre el área de superficie y el volumen. En cambio, los materiales granulares, están
compuestos de una gran cantidad de partículas sólidas, las cuales son de mayor tamaño.
El tamaño de las partículas suele ir desde algunas micras hasta el orden de milímetros o
mayores. En el caso de los polvos, sus partículas no son apreciables a simple vista.
Las características de los polvos iniciales se muestran en la tabla 4:
Elemento
Cu
Pureza
99,99%
Fe
Co
99,99%
99,99%
Tamaño partículas Tipo de material
< 1mm
Polvo P12-0046
Granulado
< 1mm
Granulado
< 1mm
Granulado
Tabla 4: Características de los polvos
4.2. Aplicaciones de los materiales
El uso industrial del cobre es muy elevado, se utiliza tanto con un alto nivel de pureza,
cercano al 100%, como aleado con otros elementos. El cobre puro se emplea
principalmente en la fabricación de cables eléctricos.
El hierro puro (pureza a partir de 99,5%) no tiene demasiadas aplicaciones, salvo
excepciones para utilizar su potencial magnético. El hierro tiene su gran aplicación para
formar los productos siderúrgicos, utilizando éste como elemento matriz para alojar otros
elementos aleantes tanto metálicos como no metálicos, que confieren distintas
propiedades al material. Por ejemplo, se considera que una aleación de hierro con
carbono es acero si contiene menos de un 2,1% en peso de carbono; si el porcentaje es
mayor, recibe el nombre de fundición.
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42 Materiales de partida La mayor demanda mundial de cobalto se genera en el sector industrial dedicado a la
fabricación de aleaciones, superaleciones, carburos cementados y tratamiento de aceros.
Figura 4: Cobre, hierro y cobalto, respectivamente
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