Unidad 1: Materiales usados en las instalaciones Térmicas Teoría: - Materiales Férricos; Acero. Fundiciones. Obtención. - Propiedades del acero. Tipos. Denominaciones normalizadas. Aceros para tuberías y depósitos. Aceros para altas temperaturas. Aceros para soportes. - Propiedades de las fundiciones: blanca, gris, dúctil. Denominaciones normalizadas. - Aplicaciones de las fundiciones. - Materiales no férricos: El cobre. Propiedades, tipos, usos. - Otros materiales no férricos: El aluminio. Aleaciones: Bronce, latón. - Materiales plásticos. PVC, PE, PP… - Tratamientos térmicos. Temple, recocido. - Corrosión y oxidación. Tipos. Protección. Equipos y materiales. - Determinación de los materiales. Ensayos. Prácticas: - Reconocimiento de materiales El conocimiento de los materiales usados en las instalaciones es el primer paso para adentrarse en las técnicas de montaje. Aprenderemos a reconocer claramente los distintos materiales, y a seleccionarlos adecuadamente para los distintos elementos de las instalaciones térmicas y de fluídos. 1.- INTRODUCCIÓN Los metales, son aquellos elementos químicos buenos conductores del calor y de la electricidad, con un brillo característico, y sólidos a temperatura ordinaria, salvo el mercurio. La metalurgia es la técnica de extracción, tratamiento y transformación de los metales para la fabricación de los objetos últimos. Los metales ferrosos o férricos contiene como elemento base el hierro. Si observamos a nuestro alrededor, comprobaremos que la mayor parte de los objetos que nos rodean tienen, en mayor menor grado, partes fabricadas con metales ferrosos (hierro, acero, fundición). La siderurgia es la técnica de extracción, tratamiento y transformación de metales férricos. Los metales puros tienen poca utilidad en la industria, ya sea por contener impurezas o por no cumplir una serie de especificaciones técnicas en sus propiedades. Para conseguir dichas especificaciones y, por tanto, determinadas propiedades, se mezclan los metales puros con otros metales o no metales, formando aleaciones. Definiremos aleación como todo producto que resulta de la unión de dos o más elementos químicos, uno de los cuales tiene carácter metálico. Lo fundamental que nos aporta el conocimiento de los materiales en el taller son las siguientes: Permite seleccionar un material adecuado sobre la base de su funcionalidad. Permite elegir las herramientas, los ángulos de corte, las velocidades de corte, el afilado de la herramienta, etc. 2.- PROPIEDADES MECÁNICAS DE LOS MATERIALES DEL TALLER Las propiedades más importantes de los materiales que hay que tener en cuenta son: 2.1.- Propiedades mecánicas Dureza: se define como la resistencia que opone un material al ser rallado o penetrado por otro mas duro que él. Elasticidad: se define como la propiedad en virtud de la cual un cuerpo, deformado entre ciertos límites por una causa cualquiera, recobra su primitiva forma y dimensiones al cesar dicha casa. Esto es cierto cuando el esfuerzo no supera cierto límite llamado límite elástico Tenacidad: Es la capacidad que tienen los metales de absorber energía antes de romperse. Si un material es poco plástico, su deformación será mínima y como consecuencia absorberá poca energía antes de romperse y diremos que este material es poco tenaz ( o frágil). Si un material es muy plástico, la deformación antes de romperse es grande, y como consecuencia absorbe mucha energía y diremos que es muy tenaz. Fragilidad: cuando se rompe al rebasar el límite elástico y sin haber tenido casi deformación plástica. Es la propiedad opuesta a la tenacidad. Fatiga: capacidad para soportar esfuerzos continuos y permanentes. 2.2.- Propiedades tecnológicas Fusibilidad: sometidos a la acción del calor, al llegar a cierta temperatura, se pasa del estado sólido al estado líquido. Plasticidad: facilidad que tienen los cuerpos y materiales de adquirir deformaciones por la acción de una fuerza exterior: Maleabilidad: Es al facilidad que presentan los cuerpos para adquirir deformaciones permanentes por la acción de un golpe o de una presión adecuada, ya sea en frío o en caliente, pero sin que se manifieste en la masa ni rajas o roturas. Debido a esta propiedad se puede estirar el material con relativa facilidad en forma de hojas o láminas. Ductilidad: Es la capacidad que tienen los materiales de adquirir deformaciones permanentes como consecuencia de estar sometidos a esfuerzos de tracción. Debido a esta propiedad se puede estirar el material con relativa facilidad en forma de hilos. 3.- METALES FERRICOS: OBTENCIÓN Son los que más se producen y utilizan, debido a las siguientes razones: En la corteza terrestre existen abundantes compuestos de hierro. El proceso de fabricación es económico. Las aleaciones férricas, consiguen propiedades fisicoquímicas y mecánicas precisas. Su principal inconveniente es su facilidad de corrosión. Se puede establecer su clasificación en función del tanto por ciento de carbono. 3.2.- EL PROCESO SIDERÚRGICO El hierro es un material de color grisáceo dúctil y maleable y empleado en las industrias siderúrgicas, aleado con carbono en forma de aceros. Químicamente puro es quebradizo y no tiene aplicaciones siderometalúrgicas. Es magnético y con el calor se ablanda y se hace muy plástico, propiedad que se aprovecha para la obtención de piezas por estampación. Se suele calentar entre 1.200ºC y 1.400ºC, se le da un golpe de prensa y toma la forma del molde pasando después a su mecanizado. El símbolo químico Fe. Punto de fusión 1.530 ºC. Peso especifico 7,85. El hierro, que se encuentra muy difundido en la naturaleza presenta en forma de minerales de hierro, es decir, combinado con otros elementos químicos generalmente oxígeno o azufre. Las formas más comunes de mineral de hierro son: - Oligisto (Fe2O3). Contiene entre 60 y 70 % de hierro. Es el más utilizado. - Magnetita (Fe304). Es difícil de trabajar, por lo que se suele transformar enFe2O3por medio de un proceso llamado calcinación. -Sulfuros de hierro. No tienen mucha utilización puesto que el azufre produce efectos no deseables en el producto final. Estos minerales se mezclan en la naturaleza con otras impurezas y se presentan en forma roca A la parte útil de la roca (el mineral) se la denomina mena, mientras que las impurezas reciben nombre de ganga. A. El Alto Horno. EI mineral de hierro una vez concentrado es reducido en el alto horno para obtener arrabio. Este arrabio servirá como materia prima para la obtención de los metales férricos fundamentales: las fundiciones y los aceros. El alto horno con una altura de 40 a 60m (equivale a un edificio de catorce o quince plantas), tiene una estructura con paredes refractarias de aproximadamente 250 cm de espesor. Carga: 1. Mineral de hierro. 2. Carbón de coque. 3. Fundentes (cal, arcilla o arena): Su misión es combinarse con la ganga residual y la ceniza del carbón de coque para poder recoger una mezcla de todas las impurezas producidas en el proceso. Esta mezcla se denomina escoria y ventaja es que puede ser retirada independientemente del arrabio. 4. La carga arde de forma ininterrumpida mediante la introducción (soplado) de aire, consiguiendo temperaturas de 1650 ºC que generan las gotas de hierro que se depositan en el fondo. El horno se carga de forma permanente por la boca superior, y periódicamente (aproximadamente unas dos horas) se sangra por las piqueras inferiores, retirando la escoria y el arrabio (hierro colado o hierro de primera fusión) Este arrabio es una aleación de hierro con un alto contenido de carbono y con impurezas (azufre, fósforo, silicio etc.) Al ser demasiado frágil sólo se utiliza como paso intermedio para obtener otros productos. El arrabio, generalmente sin solidificar, se transporta hasta los convertidores, donde sufre un proceso de reafino, eliminando el exceso de carbono y se ajusta su composición química. También puede llevarse a la máquina de colar donde se verterá en las lingoteras para obtener un producto sólido, el lingote, que se utiliza como materia prima para lograr fundiciones o aceros especiales. En las modernas siderurgias, la obtención del acero se hace por colada continua. que permite obtener directamente distintos perfiles, con importantes ahorros. En este proceso, el arrabio fundido, se carga un convertidor donde se añaden otros materiales (chatarra, etc.), a continuación se sopla el oxígeno, posteriormente se extrae del horno y se vierte en el molde solidificador, que permite una solidificación continua del material con la forma del perfil deseado (generalmente rectangular, de lados muy desiguales). Este perfil servirá de materia prima para. sucesivas transformaciones, de composición (si se destina a la fabricación de aceros especiales), de estructura (por tratamientos térmicos) y a su forma (mediante los procedimientos de conformación). B. Horno convertidor de oxígeno o LD. Sobre el arrabio fundido se hace incidir un chorro de oxígeno puro (99%) insuflado en sentido vertical y a presión. Es un proceso muy rápido que requiere un control automatizado de las cargas de arrabio y fundente a introducir y de la presión y cauda1 del O2 AI insuflar oxígeno sobre el arrabio se crea óxido ferroso (FeO) que reacciona rápidamente con las impurezas (P, S, Mn, etc.) formando óxidos, con lo que se eliminan, estas impurezas. Después de esto se añade rápidamente fundente y se sigue insuflando oxígeno que forma C. CO y CO2. y rebaja el contenido en carbono, hasta llegar al grado de composición deseado. Este procedimiento es bastante moderno y supone un avance muy importante al poder conseguirse calidades de acero muy elevadas, de forma que es el método más utilizado actualmente debido a la relativa sencillez del proceso y bajo costo. Horno eléctrico. En estos hornos el proceso es mucho más limpio, se consiguen temperaturas más altas y más fácilmente regulables. Se pueden crear atmósferas neutras, ácidas, básicas o de vacío según interese, dependiendo del tipo de impurezas que posean el arrabio y la chatarra de acero. Los procesos y reacciones que en él ocurren son análogos a los de los hornos citados anteriormente. Existen diferentes tipos de hornos según como se consiga la corriente eléctrica, y de ella, el calor necesario: de arco, de inducción y de resistencia. Resumen: Mineral + carbón → Alto Horno → Arrabio → lingotes de fundición Arrabio + chatarra + Oxígeno → Acero → Perfiles 4.- PRODUCTOS FÉRREOS: CLASIFICACIÓN En una primera clasificación se pueden distinguir cuatro tipos diferentes de productos férreos, dependiendo del tanto por ciento de carbono que contenga la aleación. - - HIERRO, Cuando el contenido de carbono presente en la aleación se encuentra comprendido entre 0,008 y 0,03 %. ACERO, entre 0,03 y 1,76 %. FUNDICIÓN, entre 1,76 y 6,67 %. GRAFITO, contenidos superiores a 6,67 %. 4.1.- Hierro Denominación que designa el elemento químico de este nombre, así como los productos siderúrgicos, de los que solamente, con carácter de impureza, pueden formar parte otros elementos. Es un metal de color blanco azulado dúctil y maleable, buen conductor del calor y la electricidad. Es muy tenaz y antes de fundirse se reblandece considerablemente, lo que propicia el forjado y el soldado entre si, inalterable al aire seco, es atacado por el aire húmedo, formándose una capa de óxido en su superficie, denominada orín o herrumbre. Por ser un metal poroso, la oxidación penetra en él extendiéndose en su interior. Se imanta temporalmente con facilidad. El hierro puro tiene muy poca aplicación. 4.2.- Aceros Es una aleación de hierro y carbono, con 0,03 – 1,76 % de este último elemento junto con la adición de diversos ligantes para mejorar las características y las propiedades. La subdivisión de los distintos tipos de acero se basa en el número y cantidad de los ligantes presentes. Los elementos adicionales que intervienen en una aleación: A. indeseables: el fósforo y el azufre. B. Deseables para mejorar la calidad (ferroaleaciones): níquel, cromo, manganeso, molibdeno, wolframio, Vanadio, cobalto, boro, cobre, aluminio, plomo, titanio y niobio. Los aceros se pueden dividir en dos grandes grupos que son: al carbono y aleados. Aceros al carbono.- En los aceros al carbono, el único elemento que interviene como aleante es el carbono, aunque siempre existirán pequeñas cantidades de elementos, consideradas impurezas. Los aceros al carbono se pueden utilizar sin que presenten problemas, si la resistencia y otros requerimientos mecánicos no son demasiado severos. El coste de este tipo de aceros es relativamente bajo, pero presentan algunas limitaciones, puesto que tienen una escasa resistencia a la corrosión y oxidación así como al impacto a bajas temperaturas. La resistencia aumenta con el contenido en carbono, al mismo tiempo que disminuye su plasticidad y tenacidad. En muchos casos, combinando adecuadamente los tratamientos térmicos (temple y revenido, recocido, o normalizado) y superficiales, se pueden obtener buenas prestaciones en piezas en las que se requiere alta tenacidad y dureza superficial (cigüeñales, bielas, etc.), altas resistencias a la deformación en piezas de pequeña sección (muelles), y altas resistencias al desgaste (ejes, levas, etc.). Para superar deficiencias que presentan los aceros al carbono ordinarios, se han desarrollado aceros de aleación que contienen elementos que mejoran sus propiedades. Aceros aleados.- Un acero aleado puede definirse como aquel cuyas propiedades características se deben a algún elemento diferente del carbono, influyendo de una manera notable no sólo en sus propiedades tecnológicas, sino que también variación en su estructura. Los principales elementos de aleación que se adicionan para fabricar este tipo de aceros son: níquel, cromo, manganeso, molibdeno y wolframio. Otros elementos que también se suelen añadir son: Vanadio, cobalto, boro, cobre, aluminio, plomo, titanio y niobio. Los elementos de aleación que se adicionan a los aceros tienen diversos efectos sobre la estructura y las propiedades, entre los que se pueden destacar los siguientes: – Temperaturas de transformación. – Formación de carburos. – Crecimiento de grano. – Templabilidad. – Resistencia mecánica. – Tenacidad. – Resistencia al desgaste. – Resistencia a la corrosión. (inoxidables) 4.3.- Fundición Es una aleación de hierro – carbono, con 1,76 – 6,67 % de este ultimo elemento que eventualmente contiene otros ligantes fundamentales, por ejemplo cromo, níquel, silicio y cobre, que son solo aptos para colada. Las propiedades de las fundiciones vienen determinadas tanto por su composición, como por la velocidad de enfriamiento. Las fundiciones son muy fluidas en estado líquido y solidifican con una contracción moderada durante el enfriamiento. Además, debido a su alto contenido en carbono, las temperaturas de fusión son más bajas que en el caso de los aceros. Estas características facilitan su obtención, justificando su empleo para la obtención de piezas moldeadas de formas complicadas y con cambios bruscos de sección, que resultan difíciles de obtener a partir de la forja de aceros. Señalar que el proceso de moldeo consiste en verter el material fundido en un molde y obtener la pieza en estado de acabado o semiacabado. El mejor método para clasificar las fundiciones es de acuerdo con su estructuras metalográfica. Las variables a considerar, que dan lugar a los diferentes tipos, son: - El contenido de carbono. - El contenido de elementos de aleación e impurezas. - La velocidad de enfriamiento durante o después de la solidificación. - El tratamiento térmico. Por tanto, las podemos clasificar en: - Ordinarias Blanca.- Presenta todo o parte del carbono (entre un 2.5 y 3%) que contiene en forma de carburo de hierro (Cfe3) o cementita, siendo éste el constituyente más duro de los aceros, pero tiene el inconveniente de ser muy frágil. Su fractura es de color blanco brillante, de ahí su nombre. Características: - Dureza muy alta (300 a 400 Brinell) - Casi imposibles de mecanizar. - Materia prima para la obtención de aceros y fundiciones maleables - Piezas con fuertes desgastes. Gris.- Presenta todo o parte del carbono en forma de finas láminas de grafito, repartidas entre la masa de hierro. Contiene entre un 3 y un 3.5 % de carbono. Se utiliza para piezas mecánicas que han de servir de soporte o de alojamiento de mecanismo (carcasa de motores, bancadas de máquinas, etc..) Características: - Dureza ( 200 y 250 unidades Brinell) No se puede soldar ni forjar Absorbe muy bien vibraciones Es fácil de mecanizar Posee propiedades autolubricantes Atruchada.- Sus propiedades son intermedias entre la fundición blanca y la gris. Recibe este nombre por tener el color parecido al de las truchas. - - Aleadas. Se dice que una fundición es aleada cuando se le añaden elementos corno Ni, (: etc. En proporciones suficientes para modificar las propiedades de la fundición. - Especiales.- Se obtienen a partir de fundiciones ordinarias, mediante tratamientos térmicos adecuados o añadiendo algún elemento químico. Maleables. Se obtienen a partir de la fundición blanca y posteriormente se le da un tratamiento térmico. El resultado es una fundición no tan frágil como la fundición blanca y que conserva su tenacidad. Existen tres tipos: Blanca, Negra o americana, Perlítica. Nodular.- Consiste en la adición de magnesio, níquel o cerio a la fundición gris. Estos hacen que el grafito adquiera forma nodular (esferoidal) que le proporciona características similares a las de la fundición maleable pero con mayor resistencia mecánica. Puede llegar a alcanzar propiedades cercanas a las de los aceros con un costo de producción mucho menor (en ciertos casos puede llegarse a un ahorro en costo del 60 %, consiguiéndose propiedades similares). Se usa en elementos sometidos a altas carcasas de bombas y turbinas, conducciones oleohidráulicas, etc. 4.4.- Ferroaleaciones Son productos siderúrgicos que, además del hierro, contienen uno o varios elementos químicos adicionales. Se emplean en la fabricación de aceros con propiedades especiales. Ferromanganeso, ferrocromos, ferrosilicios, ferrovanadios, ferrotungstenos. 4.5.- Conglomerados férreos. Sinterizado o metalurgia de los polvos. Son productos formados por la unión entre sí de distintos materiales férreos, en polvo los que se comprime en un molde, a altas presiones y temperaturas un poco inferiores a las fusión, obteniéndose una masa compacta. El procedimiento de obtención comprende las fases siguientes: a) Obtención de los polvos. El tamaño oscila entre algunas milésimas a décimas; pudiendo obtenerse mediante molido, o Atomizado (Dirigiendo una fuerte corriente de aire a presión sobre un chorro de metal líquido, que se recoge en un recipiente con agua). b) Prensado Se lleva a cabo en matrices de acero templado capaces de soportar los esfuerzo sin deformarse. Para facilitar el prensado adicionamos lubricantes sólidos. c) Sinterizado. Sometemos la pieza a una temperatura próxima a la de fusión, en atmósfera reductora. d) Acabado. Con el objetivo de obtener las dimensiones definitivas de la pieza. Para ello acuña, lamina o mecaniza la pieza. Piezas complicadas de poca resistencia. Elementos baratos. 5.- TRATAMIENTOS TERMICOS Los tratamientos térmicos son procesos que se les aplica generalmente a los aceros, con el fin de mejorar sus propiedades técnicas. Los tratamientos modifican la estructura de los granos que forman los aceros; al modificar la estructura, lo que se obtenemos son: Aceros más duros y tenaces. Facilidad de mecanizado en los materiales. Mayor resistencia al desgaste. 5.1.- Temple El temple es uno de los principales tratamientos térmicos y su función es disminuir y afinar el tamaño del grano de la aleación del acero, aumentando la dureza de las piezas. Se basa en calentar una pieza a una temperatura de entre 600 º C y 800 º C y luego enfriarla rápidamente, controlando el tiempo de calentamiento y de enfriamiento. Debemos tener en cuenta que al aumentar la dureza, disminuye la resiliencia, es decir, la rotura por choque; las piezas se hacen más frágiles, pero también aumenta la resistencia al desgaste; este dato es muy importante para las piezas que deban estar sometidas a grandes rozamientos o esfuerzos de desgaste. Características: Es el tratamiento mas importante. Aumentará la dureza de toda la pieza del acero. Hace al acero más frágil. La temperatura de calentamiento está entre los 900 º C y los 1200 º C. El enfriamiento es rápido. Si el temple es muy enérgico la pieza se agrieta. Los medios de enfriamiento son agua, aceite y sales. La mayoría de piezas mecánicas de alta resistencia. 5.2.- Revenido El revenido es un tratamiento que tiene como finalidad reducir las tensiones internas de los aceros después de un tratamiento enérgico como el temple, reduciendo las grietas que se pueden generar en el temple o al mecanizar la pieza. Consiste en calentar el material a una temperatura relativamente baja en torno a 250 º C y dejarlo enfriar muy lentamente. Características: Es un tratamiento que se da después del temple. Se da para ablandar el acero. Elimina tensiones internas. La temperatura de calentamiento está entre los 300 º C y los 500 º C. El enfriamiento puede ser al aire o en aceite. Se suele aplicar a las herramientas. 5.3.- Recocido Es la operación inversa al Temple. El recocido es un tratamiento térmico que tiene como finalidad ablandar los materiales después de un proceso de elaboración, generalmente en frío, eliminando las tensiones internas. Con el recocido los materiales se hacen más blandos, perdiendo la dureza y haciéndose mas resistentes a la rotura por choque; por tanto, se pueden moldear mejor y se vuelven mas mecanizables. Características: Se emplea para ablandar aceros. Se obtienen aceros muy mecanizables. Evita la acritud. La temperatura de calentamiento está entre 600 º C y 700 º C. El enfriamiento es lento. 5.4.- Normalizado Tratamiento que se suele dar después del temple. Es muy parecido al recocido, y se basa en calentar el acero a temperaturas bajas y dejarlo enfriar a temperatura ambiente. Características: Se da al acero para afinar su estructura. Elimina las tensiones internas. Generalmente se aplica a piezas que han sido forjadas o laminadas. La temperatura de calentamiento esta alrededor de los 500 º C. El enfriamiento suele hacerse al aire. Solo se aplica a aceros al carbono. 5.5.- Cementación La cementación es un tratamiento dado a los aceros cuyo contenido en carbono no sobrepase el 0,2 %, generalmente sólo se aplica a los aceros, al carbono, y tiene por objeto endurecer la superficie del acero permaneciendo el centro de la pieza con su estructura original. Este tratamiento se emplea para piezas que deban soportar esfuerzos de rozamiento en sus superficies, aumentando así la resistencia al desgaste; además, como el interior de la pieza mantiene su estructura, tambien soporta mejor los golpes. Características: Endurece la superficie. No le afecta al corazón de la pieza. Aumenta el carbono de la superficie. Su temperatura de calentamiento alrededor de los 900 º C. Se rocía la superficie con polvos de cementar. El enfriamiento es rápido. 5.6.- Nitruración La nitruración es un tratamiento basado en endurece la superficie del acero que se va a tratar a niveles muy altos. Su fundamento es calentar la pieza alrededor de 500 º C y cuando alcanza la temperatura se trata con una corriente de amoniaco, la cual reacciona en su superficie consiguiéndose así durezas muy elevadas. Características: Endurece La superficie de la pieza. Aumentan el volumen de la pieza. Se emplean vapores de amoniaco. Las piezas tratadas pueden estar sometidas a vapor entre 50 y 90 horas. Las piezas no requieren ningún otro tratamiento. 6.- APLICACIONES 6.1.- Aplicaciones de los aceros Los aceros pueden ser clasificados en función de sus diferentes aplicaciones. Podemos establecer una designación convencional numérica de la siguiente forma: Se define mediante la letra F que sirve para identificar el acero, seguida de cuatro cifras. La 1ª cifra indica grandes grupos de acero, siguiendo un criterio de utilización como se indica en la siguiente tabla: La segunda cifra establece distintos subgrupos con características comunes: Las dos ultimas cifras no tienen valor clasificativo, solamente tienen como misión diferenciar un tipo de acero de otro, aplicándose a medida que éstos van siendo definidos cronológicamente. 6.2.- Aplicaciones de la fundición A continuación describiremos las aplicaciones de las fundiciones, nos centraremos solamente en aquellas más utilizadas. A. Fundiciones blancas. Se caracterizan por un bajo contenido en Si y por una elevada velocidad de enfriamiento. Presentan una dureza notable y una importante resistencia al desgaste. Gracias a estas características son utilizadas normalmente para fabricar, mazos de trituradores, cilindros de laminadores, etc. Su función más importante consiste en establecer el punto de partida en la obtención de la fundición maleable. B. Fundiciones grises. Las fundiciones grises presentan una discontinuidad estructural característica. Debido a ello posee unos valores de resistencia a la tracción y al alargamiento muy bajos, un comportamiento bastante inelástico y una baja sensibilidad al corte. Como ya sabemos las propiedades y las estructuras de una fundición dependen principalmente de la velocidad de enfriamiento de la pieza y en consecuencia de sus dimensiones. C. Fundiciones aleadas. Las fundiciones aleadas poseerán diferentes aplicaciones en función de la impureza que contengan. Las aleaciones al Si, son muy frágiles y no mecanizables, por lo que se utilizan en instalaciones de la industria química. Las aleaciones al Cr, presentan una buena resistencia al calor y a la corrosión, por lo que se emplean en la construcción de rejillas de hornos. Las fundiciones al Cu aumentan la resistencia a la corrosión y la maleabilidad. Se utiliza en elementos de máquinas herramienta tal como engranajes, volantes, cigüeñales... Las fundiciones al Ni son las más resistentes al la corrosión y a la oxidación. D. Fundiciones maleables. Las fundiciones maleables se consideran productos intermedios entre las fundiciones grises y los aceros. Pueden tratarse térmicamente y son adecuadas para piezas robustas. Su aplicación más importante es en la industria automovilística y de producción de máquinas agrícolas, para obtener ejes, soportes, horquillas...También es muy empleado para empalmes roscados de tubos. Sin embargo su limitación más importante es de carácter dimensional, ya que no es posible la construcción de piezas muy gruesas y de estructura adecuada de forma simultánea. 7.- PRESENTACIÓN COMERCIAL DE LOS MATERIALES El arrabio que se utiliza para alimentar los cubilotes o los hornos de acero se suministra del alto horno en forma de lingotes de aproximadamente 40 kg. Las fundiciones son utilizadas la gran mayoría de las veces para ser conformadas por moldeo. Este proceso de conformación de piezas consiste básicamente en verter la fundición en caldo en moldes de arena en los que se ha hecho la huella para obtener la pieza definitiva. Los mismo procesos se usan para los aceros de moldeo vistos anteriormente. Los aceros se presentan en el mercado en forma de perfiles laminados. Éste es un proceso de conformación que consiste en hacer pasar un lingote de acero entre dos rodillos comprimiendo el material y dándole su forma definitiva. Se puede hacer pasar un lingote de acero tanto al rojo vivo (laminación en caliente) como en frío (laminación en frío). Partiendo de estos productos semielaborados se obtienen los perfiles definitivos que, bien se pueden usar directamente (perfiles normalizados para la construcción), o bien han de ser mecanizados. Los más habituales son: A. Chapa. Son productos férricos muy empleados pues con ellas se realizan trabajos de todo tipo, y se suministran en medida estándar de varios tamaños, siendo la mas aplicable la de 2000x1000mm, con un espesor variable de (0.4, 0.5, 0.6, 0.8, 1, 1.25, 1.50, 1.70, 2.00, 2,5 mm). Otras dimensiones con los mismos espesores son 1.500x750mm, y 2.500x1.250mm. B. Perfiles. Perfiles laminados. Se llaman así la los perfiles y barras obtenidas en los trenes de laminar, pero con alguna imperfección, suelen tener medidas con tolerancias muy amplias y son mas baratos que los calibrados. Sirven para muchas trabajos del taller, siempre y cuando requieran piezas de poca resistencia mecánica. Perfiles calibrados. Son los perfiles que están calibrados a una medida determinada; este tipo de material es mas caro que los laminados, pero nos da la garantía de que las medidas de dicho materiales están garantizadas, y se emplean para la mecanización de piezas comunes con buena resistencia mecánica. Perfiles usados para máquinas. Suelen ser perfiles calibrados, que se suministran en barras comerciales de 6 metros de longitud. En el mercado los encontramos en infinidad de medidas y calidades, con el fin de adaptarlos a las necesidades del taller, nos ahorran tiempo de mecanizado, desgastes de herramienta, pues al escogerlos la medida mas próxima al trabajo que se va a realizar. Los más comunes: Perfil rectangular. Designación: “Pletina de ancho en mm x grueso en mm”, ejemplo “pletina 50x10”. (10x4, 15x4, 20x6, 20x8, 20x10, 24x4, 24x6, 24x8, 30x8, 30x10, 40x6, 40x8, 60x6, 80x10 mm) Perfil redondo. Designación: “Redondo diámetro en mm”, ej. Redondo 5, (5, 10, 15, 20,25, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 60, 70, 80 mm). Perfil cuadrado. Designación: “Cuadrado lado en mm”. Ej. Cuadrado 15, (5, 10, 15, 20,25, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 60, 70, 80 mm). Perfil de sección hexagonal. Designación: “hexagonal distancia entre caras”. Ej. Hexagonal 15, (5, 10, 15, 20,25, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 60, 70, 80 mm). Perfiles para construcciones metálicas. Son perfiles con una geometría particular según las necesidades: Perfil angular. Se designa por la longitud de sus alas. “Perfil angular ala en mm” Perfil en T. Se designa por “Perfil en T base x altura” en mm. Perfil en doble T. Se designa por “Perfil en doble T base x altura” en mm. Perfil en U. Se designa por “ Perfil en U ancho x ala” en mm. Perfiles para carpintería metálica. Son los empleados en la cerrajería convencional y en la construcción de ventanales, rejas, estanterías, armarios metálicos, etc. Tubo cuadrado. Se designa “Tubo cuadrado lado x espesor” en mm. (10x1, 12x1, 16x1, 20x1, 30x1, 30x1.5, 40x1, 40x1.5, 40x2, 50x1.5, 50x2, 60x2 mm). Tubo rectangular. Se designa “Tubo rectangular ancho x alto x espesor” en mm. (16x10x1, 20x10x1, 30x10x1, 30x10x1,5, 30x20x1, 30x20x1.5, 30x20x2, 40x15x1, 40x15x1.5, 40x20x1, 40x20x1.5, 40x20x2, 40x30x1,5, 40x30x2, 50x40x1.5mm). Tubo redondo. Se designa “Tubo redondo diámetro x espesor” en mm. (6x1, 8x1, 10x1, 12x1, 14x1, 16x1, 20x1, 25x1, 30x1, 40x1, 60x1, 20x1.5, 35x1.5, 40x1.5, 60x1.5 mm). Metales no férricos y sus aleaciones: clasificación, obtención y aplicaciones. 1.- INTRODUCCIÓN En la actualidad el consumo de productos siderúrgicos es aproximadamente 20 veces superior al conjunto del resto de materiales de uso técnico debido a sus buenas prestaciones para un sin fin de usos. Aunque cuantitativamente los metales férricos superan con creces a los no férricos, estos últimos poseen determinadas propiedades que hacen que sean imprescindibles en multitud de aplicaciones, como por ejemplo conductores eléctricos, intercambiadores de calor, en construcción, en instalaciones de fontanería y saneamiento, etc. La metalurgia estudia en general todos los procesos de obtención y transformación de los metales, desde los tratamientos al mineral para obtener el metal, tratamientos para mejorar propiedades o formas de alear, mientras que la siderurgia se encarga únicamente de los metales férricos (hierro, aceros y fundiciones). Los metales no ferrosos se pueden clasificar en tres grandes grupos: I. Metales no ferrosos pesados. Pertenecen a este grupo los metales como el cobre, estaño, plomo, níquel, cinc, cobalto, wolframio y cromo cuyas densidades son mayores de 5 g/cm3. II. Metales no ferrosos ligeros. Los más importantes son el aluminio y el titanio con densidades comprendidas entre 2 y 5 g/cm3. III. Metales no ferrosos ultraligeros. Son el magnesio y el berilio. Los metales se obtienen a partir de minerales a los cuales se somete a una serie de procesos físicos, químicos, térmicos, etc., para obtener el metal (normalmente en estado fundido) y separarlo del resto de los componentes químicos del mineral. Se trata de procesos complejos químicamente y cuyas etapas son muy diversas según el metal del que se trate, aunque ello no impide citar algunos de los procedimientos mas utilizados habitualmente, como son: I. Tratamientos previos del mineral. Algunos de los procesos mas habituales son: A. Separación de la ganga. Su objetivo es la separación (en proporciones económicamente aprovechables) de la parte útil del mineral que se denomina MENA de la parte no útil que recibe el nombre de GANGA. Entre las operaciones mas utilizadas están el cribado, lavado, separación magnética, separación por gradientes de densidades, por flotación, etc. También se caracterizan porque suelen realizarse a pie de mina. B. Homogeneización y compactación. En muchos casos la Mena se tritura en molinos para dotarla de una granulometría homogénea de forma que se faciliten los tratamientos posteriores. Asimismo también se compactan con el objetivo de facilitar su transporte. II. Separación del metal. Normalmente se utilizan procesos químicos que permiten separar el metal que forma parte de la Mena del resto de componentes químicos que también constituyen la citada Mena. III. Procesos de afino. Los metales que se obtienen de la etapa anterior contienen en general una gran cantidad de impurezas como son escorias, óxidos, sulfatos, carbonatos, etc., que es necesario eliminar para obtener un metal con el grado de pureza adecuado según al fin al que vaya a ser destinado. Los procesos de afino mas empleados son: A. Oxidación. Es un proceso que se realiza en un Alto Horno y que consiste en aprovechar la mayor afinidad de las impurezas para combinarse con el oxigeno, creando una capa superficial que se puede eliminar fácilmente. Para ello se funde el metal y se le expone a compuestos oxidantes o directamente a chorros de oxigeno que al ponerse en contacto con el metal eliminan las impurezas. B. Electrolisis. Se basa en colocar el metal que se desea purificar como ánodo en un recipiente con un electrolito formado por sales del mismo metal y a través del cual se hace circular una corriente eléctrica. Como cátodo se coloca una lamina delgada del mismo metal puro. El paso de la corriente eléctrica disuelve el metal del ánodo y lo deposita en el cátodo. IV. Aleación de metales. Consiste en la mezcla de dos o mas metales en proporciones determinadas para conseguir un metal con características diferentes a los metales iniciales, pero adecuadas para el fin al que va a ser destinado. Para el proceso de aleación se utilizan hornos donde se funden en condiciones adecuadas las cantidades proporcionales de cada metal a alear, procurando obtener un producto homogéneo. 2.- COBRE El cobre es un metal de color rojizo, relativamente blando, de conductividad eléctrica y térmica muy elevada, dúctil y maleable. Es poco resistente a los agentes atmosféricos. El cobre, a la intemperie, se recubre de una capa de carbonato, de color verdoso, denominada cardenillo, que le protege de la oxidación posterior. En la naturaleza, el cobre está presente en diversos minerales, como la cuprita, la calcopirita o la malaquita. En ocasiones, se puede hallar en estado casi puro en forma de cobre nativo. 2.1.- APLICACIONES Su elevada conductividad eléctrica -sólo superada por la plata- y su ductilidad lo hacen especialmente indicado para la fabricación de cables eléctricos y bobinados. El aire seco y el agua pura no lo atacan a ninguna temperatura y, por ello, suele utilizarse para la fabricación de tubos y calderas que se emplean en intercambiadores de calor y en las instalaciones domésticas. 2.2.- ALEACIONES DE COBRE Por tratarse de un material relativamente blando, se alea con el aluminio (bronce de aluminio), el cinc (latones), el estaño (bronces) y con otros metales para mejorar su dureza y su resistencia a la tracción. I. Bronce de aluminio: Es una aleación formada por un 90 % de cobre y un 10 % de aluminio. Aumenta sensiblemente la dureza del cobre y es mucho más resistente a la corrosión que cualquiera de los metales por separado. Por su resistencia frente a los agresivos químicos, se utiliza en la industria para la fabricación de equipos que están expuestos a líquidos corrosivos. También se obtienen con esta aleación piezas que se utilizan para decoración. II. Latones: Son aleaciones de Cobre y de Cinc, en las que predomina el cobre como elemento principal, aunque también pueden contener otros elementos como el plomo. Existen diferentes tipos de latones: A. Latones de forja: Son aleaciones en las que el contenido de Cinc está comprendido entre el 35 y el 40%, conteniendo también pequeñas cantidades de plomo. Se utilizan , gracias a su fácil mecanización, principalmente para la fabricación de engranajes, piezas de relojería y para la obtención de perfiles laminados y calibrados. B. Latones de alta resistencia: Contienen entre un 25 y un 35% de cinc incorporando además otros elementos como el hierro y el aluminio en porcentajes mucho menores. Se usan para la fabricación de piezas sometidas a grandes desgastes y rozamientos y a elevada corrosión, como por ejemplo piezas que forman parte de bombas marinas de agua. C. Latones especiales: Son latones que contienen hierro y manganeso y que se emplean en soldaduras blandas. III. Bronces: Son aleaciones formadas fundamentalmente por el cobre y el estaño en las que predomina el cobre como elemento fundamental, aunque pueden contener otros metales como cinc, fosforo, etc. Estas aleaciones se caracterizan por ser fáciles de mecanizar, resistir grandes rozamientos al desgaste y moldearse fácilmente. Algunos tipos son: 3.- ALUMINIO El aluminio es un metal de color plateado, muy blando, de baja densidad, conductividad eléctrica alta y muy dúctil y maleable. Presenta una elevada afinidad por el oxígeno, lo que hace que su superficie se oxide rápidamente. Sin embargo, la capa de óxido que se forma -del orden de centésimas de micraes totalmente compacta e impide la oxidación posterior del resto de la masa metálica. La resistencia a la corrosión puede ser mejorada mediante una técnica denominada anodizado. Consiste básicamente en hacer actuar el aluminio como ánodo en una cuba electrolítica, con lo que se consigue que éste se recubra de una fina película que lo protege de la corrosión. Su principal inconveniente radica en que resulta difícil de soldar, debido a la capa de óxido que lo recubre. Para conseguir esta forma de unión hay que utilizar una pistola de soldadura eléctrica, provista de un electrodo de volframio que permite inyectar el gas inerte argón para evitar la oxidación durante el proceso. 3.1.- APLICACIONES Puede ser laminado tanto en frío como en caliente. Mediante laminación en caliente, pueden obtenerse chapas de diferente grosor, hasta un mínimo de 5 mm. Si se lamina en frío, las planchas llegan a tener hasta 0,005 mm. de espesor (papel de aluminio). Mediante procesos similares a los empleados con el cobre, se obtienen perfiles de diversos tipos, como tubos, barras e hilos. Las aplicaciones mas importantes del aluminio son en carpintería metálica por su resistencia a la corrosión y su belleza. También es importante destacar que gracias a su baja densidad y su conductividad relativamente alta, el aluminio se emplea como sustituto del cobre en cables de conducción eléctrica de gran longitud. No obstante, para evitar fracturas, estos cables suelen llevar alma de acero. Gracias a la fina capa de óxido que lo protege, resulta especialmente útil en la fabricación de utensilios de cocina. 3.2.- ALEACIONES DE ALUMINIO Por tratarse de un material muy blando, para su uso industrial se alea con otros metales, como el cobre, el magnesio, el silicio, el níquel y el cobalto, entre otros. Se obtienen así las denominadas aleaciones ligeras, en las que el aluminio puro está presente en proporciones que oscilan entre el 85 y el 99 %. Todas ellas mejoran las cualidades del aluminio en cuanto a dureza, resistencia mecánica y facilidad para el mecanizado con arranque de viruta. Algunas de las mas utilizadas son: I. La aleación con cobre se conoce con el nombre de duraluminio (95,5 % Al y 4,5 % Cu) y se emplea en la construcción. II. La aleación de aluminio-magnesio se utiliza para la fabricación de estructuras resistentes en las industrias aeronáutica y naval. También se emplea en la fabricación de automóviles y bicicletas. III. La aleación de aluminio-silicio permite obtener una fundición inyectable, que se emplea en la construcción de motores. IV. La aleación con níquel y cobalto, conocida abreviadamente como alnico, se utiliza para fabricar imanes permanentes. 4.- PLOMO El plomo es un metal de color gris plateado, muy blando, de densidad elevada, baja conductividad eléctrica y térmica, flexible y maleable. Puede ser laminado en frío, pero no estirado en hilos, ya que es muy poco dúctil y resiste mal la tracción. Presenta afinidad por el oxígeno, lo que hace que su superficie de corte, inicialmente brillante, se oxide en contacto con el aire y pierda el brillo. Como en otros casos, la capa de óxido impide que el proceso se propague al interior de la masa metálica. En estado puro, se trata de un material extraordinariamente blando. Puede rayarse con la uña y absorbe muy bien las vibraciones, Por este motivo, no suena cuando se le golpea. 4.1.- APLICACIONES Su elevada densidad lo hace opaco a las radiaciones electromagnéticas, por lo que se utiliza como escudo protector en instalaciones médicas de radiología y en centrales nucleares. Tradicionalmente se ha empleado para fabricar tuberías, pero, en la actualidad, ha sido reemplazado con ventaja por otros materiales (pues es un peligroso veneno para el organismo humano). Por su particular comportamiento frente a los ácidos, se utiliza para fabricar recipientes que hayan de contenerlos, como las baterías y los acumuladores eléctricos. En cambio, nunca debe emplearse como envase de productos alimenticios. Se usa como aditivo en la industria del vidrio, al que confiere mayor peso y dureza. Esta característica le hace especialmente útil en la industria de producción de lentes. Las aleaciones de estaño y plomo se utilizan como material de aportación en la denominada soldadura blanda. Si se le añade algo de antimonio, se le confiere mayor dureza. Es muy utilizado en aleaciones con otros materiales para darles tenacidad, y en la preparación de pinturas antioxidantes, aleaciones de materiales antifricción. 5.- ESTAÑO El estaño es un metal de color blanco brillante, muy blando, de es. estructura cristalina, poco dúctil pero muy maleable. Su estructura cristalina se pone de manifiesto al doblar una barra de estaño: se escucha un ruido característico, denominado grito del estaño, producido por el rozamiento de los cristales entre sí. Puede ser laminado en finas planchas, que forman el papel de estaño. Es muy estable y resistente a los agentes atmosféricos a temperatura ambiente, aunque puede ser atacado con ácidos y productos alcalinos 5.1.- APLICACIONES El papel de estaño fue utilizado antes de la Segunda Guerra Mundial como embalaje de alimentos. En la actualidad ha sido sustituido con ventaja por el papel de aluminio, por su menor coste económico. Por su resistencia a la oxidación, casi la mitad de la producción mundial de estaño se emplea como recubrimiento electrolítico de otros metales, por ejemplo, el acero. De este modo se obtiene la hojalata. 6.- CINC El cinc es un metal de color gris azulado, brillante, frágil en frío y relativamente blando. Es inalterable al aire seco, pero el aire húmedo lo oxida y hace que pierda su brillo. La capa de óxido que lo empaña lo protege de una oxidación más profunda. No resiste la acción de los ácidos ni de los agentes alcalinos La vía húmeda, más reciente, consiste en tratar el mineral triturado con una disolución de ácido 6.1.- APLICACIONES Debido a su resistencia a los agentes atmosféricos, se ha utilizado tradicionalmente en forma de planchas para cubiertas, cañerías y canalones. Forma parte de algunas aleaciones importantes, como los latones, los bronces y la alpaca (aleación de cobre, níquel, cinc y estaño). Su principal aplicación es el recubrimiento de piezas de hierro y acero mediante los procesos de galvanizado: I. Mediante el galvanizado electrolítico se consigue recubrir las piezas con una delgada capa de cinc, de 10 o 12 p, que las protege de la corrosión. Resulta costoso por su gran consumo energético. II. El galvanizado en caliente consiste en sumergir las piezas que se desea recubrir en un baño de cinc fundido durante un corto período de tiempo. Con ello se consigue una capa de recubrimiento de 50 a 60 p, con un coste energético unitario mucho menor. Este procedimiento se emplea actualmente para proteger las estructuras que han de quedar a la intemperie, como farolas semáforos, torres de alta tensión, verjas y vallas protectoras de las carreteras. 7.- NÍQUEL El níquel es un metal de color blanco brillante, medianamente duro, tenaz, dúctil y maleable. Junto con el hierro y el cobalto, forma el grupo de materiales ferromagnéticos. Es muy resistente a la corrosión, tanto de los agentes atmosféricos, como de sustancias químicas. 7.1.- APLICACIONES Debido a su gran resistencia a la corrosión, se emplea en la industria alimentarla y en la química para el revestimiento electrolítico de chapas de acero dulce. Este método se denomina niquelado. Rara vez se utiliza en estado puro. Es más frecuente encontrarlo formando aleaciones con el cobre, el hierro, el cromo, el volframio y el manganeso, a las que confiere un carácter Inoxidable. 8.- MAGNESIO El magnesio es un metal de color blanco brillante, muy ligero, blando, maleable y poco dúctil. Es inalterable en aire seco, pero la humedad provoca la aparición de una capa de carbonato muy porosa que no protege al metal, de modo que, con el tiempo, llega a corroerse por completo. Tiene gran afinidad por el oxígeno, con el que reacciona de manera muy rápida cuando está finalmente pulverizado. 8.1.- APLICACIONES Y ALEACIONES DEL MAGNESIO Su combustión casi explosiva determinó su utilización como flash de las antiguas cámaras fotográficas. En la actualidad, esta propiedad se emplea en lámparas relámpago y en pirotecnia. Se utiliza como agente reductor para obtener otros metales, como el titanio, el circonio el tántalo y el uranio, a partir de sus cloruros. Por su densidad extraordinariamente baja, forma aleaciones ultraligeras (de densidad inferior a 2.000 kg/m3) con otros metales, como el manganeso, el cinc y el aluminio. Éstas se emplean en la industria aeronáutica y en la fabricación de bicicletas, automóviles y motocicletas de competición. Según su composición, las aleaciones ultraligeras se clasifican en aleaciones para fundición y aleaciones para forja. Entre estas últimas destacan la aleación magnam (1 % a 2 % de manganeso), la magzin (2 % a 3 % de cinc) y la magal (7 % a 9 % de aluminio). 9.- LOS PLÁSTICOS MATERIALES PLÁSTICOS: Dentro de la gran variedad de materiales plásticos que podemos encontrar en el mercado, los que se utilizan más comúnmente en la fabricación de tuberías son el policloruro de vinilo (PVC), el polietileno (PE) y el polipropileno (PP). Cada uno de estos materiales tienen unas características diferenciadas, pero en general todas las tuberías de materiales plásticos se caracterizan porque: • Son ligeras y muy resistentes a los agentes externos (salvo a los hidrocarburos, que pueden deteriorarlas). • Son aislantes térmicos y eléctricos. • Son fáciles de manipular, pudiéndose modelar y soldar al aplicarles calor. • Tienen un interior muy liso, por lo que provocan pocas pérdidas de presión y difícilmente se producen incrustaciones. • Estos tubos son muy resistentes a los materiales de obra y tampoco se ven afectados por la corrosión, como ocurre con los materiales metálicos. Como inconvenientes, podemos resaltar los siguientes: • Elevado coeficiente de dilatación térmica. • Presión de trabajo limitada a un máximo de 25 bar. • Envejecen en presencia del aire y de la luz solar. Los materiales plásticos más usados son: PVC Son tubos rígidos que se presentan comercialmente en barras de hasta 5 m, en una gama de presiones que va desde los 4 kg/cm2 a los 16 kg/cm2. Hay disponibles para este tipo de material gran variedad de accesorios. Las uniones se realizan por acoplamiento machihembrado unido mediante un pegamento especial, que funde las superficies. Sólo se usa en instalaciones de agua fría, pues con una temperatura de 50ºC pierde casi toda su resistencia No se puede usar en instalaciones de calefacción ni ACS. POLIETILENO. Es parecido al PVC, pero resiste mejor la temperatura hasta unos 90ºC. Se presenta en tubos flexibles que se pueden unir con acoplamientos elásticos o con accesorios prensados de latón. También se une mediante fusión, con equipos que calientan los dos extremos a unir, y posteriormente al juntarse, quedan soldados. POLIPROPILENO: Es parecido al polietileno, pero resiste mejor las altas temperaturas. Se une mediante un calentamiento, que funde el material. No puede doblarse. Su inconveniente es que tiene una gran dilatación con la temperatura (una 10 veces el cobre o acero), por lo que hay que ser cuidadoso con las fijaciones, dejando holguras y dilatadores. Se fabrica en diámetros pequeños y grandes. Es un material barato, y sus accesorios económicos, pero el montaje mediante fusión es complejo en obra. MULTICAPA: Estas tuberías están compuestas de una capa interior de PE, otra capa de Aluminio, y una exterior de PE o PVC. Es muy resistente a temperatura y presión. Puede doblarse fácilmente y conserva la posición. Presenta una dilatación parecida al cobre. Se fabrica en diámetros hasta 60 mm. Se une mediante accesorios de compresión (press-fifting). Se usa en instalaciones de agua fría, caliente, calefacción y suelo radiante. Es un material muy barato, pero sus accesorios son caros. El montaje es muy rápido.