MATERIAL DE APOYO #1 Universidad de San Carlos de Guatemala Facultad de Ingeniería Escuela de Mecánica Ing. Hugo Leonel Ramírez Ortiz Metalurgia y Metalografía METAL: Los materiales metálicos son sustancias inorgánicas compuestas de uno o más elementos metálicos, pudiendo contener también elementos no metálicos como el carbono, nitrógeno y oxígeno. Tiene estructura cristalina en la que los átomos están dispuestos de manera ordenada. De manera general son: - Buenos conductores eléctricos y térmicos. - Tiene buena maleabilidad, resistencia a la tracción, compresión y corte. - En estado sólido existen en forma de cristales. - Tienen alta reflectividad a la luz. METALURGIA: Arte y ciencia de obtener los metales y procesarlos y así adaptarlos para que satisfagan las necesidades humanas. Metalurgia Extractiva Mecánica Física Metalurgia Extractiva: Es el primer paso para hacer los metales utilizables que consiste en liberar a los átomos metálicos de sus combinaciones para obtener cierta pureza del metal. Abarca los procesos de extracción del mineral, la concentración, refinación de metales y aleaciones. Metalurgia Mecánica: Es la utilización de muchos y muy diferentes procesos de manufactura para obtener un objeto útil de metal (forma determinada del metal), como por ejemplo la de un engranaje de una fundición. Metalurgia Física: Es la ciencia que se ocupa de las características físicas y mecánicas de los metales y aleaciones Estudia las propiedades de los metales y de las aleaciones según las afectan tres variables: A) Su composición química. B) El tratamiento mecánico. C) El tratamiento térmico. La Metalurgia Física se encuentra en libertad para concentrarse en el estudio de las propiedades de las aleaciones en relación con las aplicaciones industriales. El fundamento de las diversas aplicaciones de los metales se basa en el estudio de: • Los conceptos de las estructuras atómica y cristalina. • La comprensión del comportamiento de las aleaciones por medio de diagramas de equilibrio. • El conocimiento de la naturaleza de las propiedades físicas, mecánicas y químicas. MATERIAL DE APOYO #1 METALOGRAFIA: La Metalografía O Microscopía estudia microscópicamente las características estructurales de un metal o de aleación. Con la Metalografía se determina el tamaño del grano, y el tamaño, forma y distribución de varias fases e inclusiones que tienen efecto sobre las propiedades mecánicas del metal micro estructura revela el tratamiento mecánico y térmico del metal y, bajo un conjunto de condiciones dadas, podrá predecirse su comportamiento esperado. DIVISIÓN DE LOS METALES: La tabla Periódica se pude separar en dos clases de elementos: metales y no metales. Esta separación se extiende en forma de escalera desde el boro (B) hasta el astatanio (At). Los elementos situados a la izquierda de esta línea presenta características metálicas (con energías de ionización bajas) y constituyen unas tres cuartas partes de los elementos, y los que se encuentran a la derecha exhiben comportamiento no metálico (energías de ionización altas). La ionización se refiere al proceso por el cual un átomo gana o pierde electrones de valencia y entonces se convierte en Ion. Los metaloides son elementos en la frontera: elementos no metálicos que exhiben algunas características metálicas, ejemplos de éstos son el boro, silicio, germanio. Ferrosos Aceros Metales Metales Ferrosos No ferrosos Hierros fundidos Pesados Metales no Ferrosos Ligeros Metales pesados no ferrosos: • Cobre (Cu): puro es blando, tenaz y muy dúctil y maleable, de color rojo, su factura es fibrosa, nervuda y de brillo sedoso, posee elevada conductividad térmica y eléctrica muy resistente a la corrosión y al calor, en contacto del aire se forma sobre él una delgada capa protectora llamada Pátina, por el contacto con ácido acético se produce el venenoso Cardenillo, y sus aleaciones principales son: Latón (Cu-Zu), Bronce (Cu-Sn), Cuproníquel (Cu-Ni). • Cinc (Zn): de los metales sólidos es el que tiene más elevada dilatación térmica, buena resistencia a la corrosión ambiental pero reducida frente a ácidos y sales, tiene fracture cristalina gruesa. Sus aleaciones principalmente con aluminio y con cobre. • Estaño (Sn): por su buena resistencia a la corrosión resulta apropiado como metal de recubrimiento para chapas de acero, no obstante los ácidos y lejías le atacan. Por debajo de los 18°C el estaño puede descomponerse y convertiste en un polvo gris (fenómeno llamado “enfermedad del estaño”). Sus aleaciones principales son como plomo, antimonio, bismuto o cadmio. • Plomo (Pb): buena resistencia a la corrosión y frente a los ácidos, los compuestos de plomo son muy venenos. Sus aleaciones principalmente son con antimonio. • Níquel (Ni): tiene brillo argentado, es tenaz y se deja pulir bien, muy resistente a la corrosión y es atraído por el imán. Sus aleaciones principales son con: manganeso-aluminio-berilio (Be), cobre-hierro (Fe)-aluminio, hierrocobre-cromo-molibdeno. • Cromo (Cr): es de color gris acerado y su factura es de brillo argentado, es duro y agrio, por su elevada resistencia a la corrosión es muy apropiado para constituir recubrimientos antioxidantes. MATERIAL DE APOYO #1 • Tungsteno (W de Wolframio): a causa de su elevado punto de fusión se emplea para hilos de incandescencia en lámparas eléctricas, para electrodos de soldadura y como adición en las aleaciones de aceros de herramientas y de construcción, da a los aceros una gran resistencia en caliente y buena duración a los filos. • Molibdeno (Mo): se emplea como componente de aleación en los aceros de gran valor (acero fino) y para electrodos de los tubos de rayos X. • Vanadio (V): tiene color gris acerado y es muy duro, pequeñas cantidades de vanadio (en proporciones superiores al 0.2% en los aceros para resortes y en los acero para herramientas de muy alta calidad) elevan notablemente la resistencia a la tracción y a la tenacidad. En el comercio se obtiene en forma de ** y no en estado puro. • Cobalto (Co): tiene propiedades análogas al níquel y es muy tenaz, su color varía desde el blanco rojizo hasta el azul acerado, por su acción endurecedor se emplea con adición en aceros rápidos y para imanes permanentes muy buenos, es componente importante de los metales duros. • Manganeso (Mn): es un metal duro y frágil. • Tantalio (Ta): es un metal gris y brillante; cuanto más puro, más blando y dúctil es; muy resistente a la corrosión y no es atacado más que por el ácido fluorhídrico, por lo que se utiliza para instrumentos de odontología. Titanio (Ti): es un metal blanco argentado, es más resistente a la corrosión que el acero inoxidable, tiene casi la misma resistencia que un buen acero de construcción y la conserva hasta temperaturas de. Incluso aproximadamente los 400°C. Sus aleaciones principalmente son con: Aluminio, estaño-vanadio-molibdeno. • Antimonio (Sb): metal brillante de color blanco argentado, muy frágil y se emplea como metal de adición para aleaciones. Eleva la dureza del plomo que se utiliza para letras o tipos de imprenta. • Cadmio (Cd): se utiliza mucho para la fabricación de aleaciones de bajo punto de fusión y para placa de acumuladores (níquel-cadmio). • Bismuto (Bi): es un metal blanco rojizo fuertemente brillante, la fractura es cristalina en grandes láminas, al solidificarse se dilata, es el principal componente de las aleaciones fácilmente fundibles (fusibles eléctricos), se emplea como capa especular en las lámparas reflectoras. • Mercurio (Hg): es el único metal que a la temperatura ambiente tiene estado líquido, por su gran dilatabilidad térmica se emplea termómetros, tiene la propiedad de disolver casi todos los metales salvo el hierro, níquel, tungsteno y molibdeno, formado con ello amalgamas. Como su punto de vaporización es sólo de 357 se desarrollan fácilmente vapores que son sumamente venenosos. Metales preciosos: Son clasificados corno metales pesados. Se laman así los metales que no son atacados por la mayoría de los productos químicos y ni aun bajo la acción del calor se combinan con el oxigeno del aire. En la naturaleza se les encuentra en estado libre (sin combinar). Estos metales son: • Plata (Ag): es el metal que tiene mayor conductividad eléctrica, tiene la misma dilatación térmica que el latón. Los mejores espejos para instrumentos ópticos van provistos de un recubrimiento de plata. • Oro (Au): es un metal blando de color amarillo rojizo, su grado de pureza se da en milésimas o en quilates. El oro puro está compuesto por 1000 partes de oro que corresponden a 24 quilates, una aleación de oro con 585 partes del metal tiene 14 quilates y otra con 333 partes de oro tiene 8 quilates. El oro puro en lingotes sirve corno garantía de divisas. Como el oro es muy blando se utiliza casi siempre aleado con plata, cobre o níquel y con él se hacen objetos de joyería y monedas. En el oro chapado se lamina una aleación de oro sobre otro metal que generalmente es latón. • Platino (Pt): es después del osmio y el iridio el metal más pesado. No se oxida ni aún incandescente al blanco y conserva su brillo metálico. Es inatacable por los ácidos con excepción del agua regia (mezcla de 3 partes de ácido clorhídrico y 1 parte de ácido nítrico) y las lejías. Metales Ligeros: • Aluminio (Al): expuesto al aire se recubre de una capa de óxido y con ello se hace muy resistente a la corrosión (propiedad de pasividad). Tiene buena conductividad eléctrica (aproximadamente 2/3 de la del cobre) y es buen conductor del calor. Posee gran facilidad para constituir aleaciones, una pequeña aleación con cobre, manganeso MATERIAL DE APOYO #1 o magnesio eleva de manera notable su dureza y resistencia. El material de partida para su producción en el plan industrial es la bauxita. Sus aleaciones son principalmente con Mg, Cu, Si, Zn, Pb y Mn. • Magnesio (Mg): es débilmente resistente ala corrosión, en forma de viruta y de polvo así como en estado líquido es muy inflamable. Al fundir y colar el magnesio y sus aleaciones hay que evitar la entrada de oxígeno mediante espolvoreado de azufre. Los incendios de magnesio tienen que apagarse con arena o con viruta de fundición gris, no utilizar agua (llama muy viva). Las aleaciones de magnesio constituyen los materiales metálicos más ligeros. Mecánicas Físicas Propiedades de los metales Química Tecnológica 1. Propiedades Mecánicas: determinan como responde el metal al aplicársele una fuerza o esfuerzo: resistencia mecánica la ductilidad, la rigidez. Resistencia al impacto resistencia a la fatiga, termo fluencia, dureza. 2. Propiedades Físicas: Conductividad y eléctrica, punto de fusión, elasticidad, densidad. 3 Propiedades Químicas: fuerzas de enlace debido a la composición, comportamiento ante medios agresivos químicos o electroquímicos (combustibilidad y toxicidad. Comportamiento químico puede variarse mediante aleaciones. 4. Propiedades Tecnológicas: determinan el diferente comportamiento de los metales por los cuáles se clasifican en metales: a) Fundibles: permiten ser colados en moldes. b Forjables: pueden recibir forma por laminación, doblado y forja. c) Soldables: los que pueden unir entre sí en estado caliente mediante soldadura de de fusión o de presión. d) Trabajamos mediante arranque de viruta: puede recibir de forma por medio de desprendimiento de viruta en máquinas herramientas: taladrado, limado, torneado, fresado y amolado. IMPORTANCIA DE LA METALURGIA Y EL INGENIERO: El ingeniero es el encargado de diseñar piezas y de la selección del material con que va a ser fabricado. Cuando se diseña una pieza de máquina se deben tornar en cuenta los siguientes factores: 1. Factores para la selección del material: a) Propiedades requeridas. b) Experiencia previa. c) La disponibilidad. d) El costo del material y de mano de obra. e) El método o proceso de manufactura a utilizar. 2. Factores de selección del proceso. a) Forma y tamaño de la pieza. b) Propiedades del material. c) Propiedades requeridas de la pieza. d) Acabado final. e) Disponibilidad de maquinaria. f) Costo: mínimo sin sacrificar la calidad del material y del proceso. PLANTA SIDERÚRGICA: Se dedica a la fabricación de aceros de alta calidad. PLANTA METALÚRGICA: Se dedica a la fabricación de cualquier metal. MATERIAL DE APOYO #1