tema 3

Tecnologico Nacional de Mexico
Instituto Tecnologico de Nuevo Laredo
Ciencia e Ingenieria de los Materiales
Unidad III; Metales y Aleaciones.
Ing. Juan Guzman Castillo
Ramiro Mendoza Hernandez.
Mecatronica 2A
ingeniería mecatrónica
18/marzo/2023
SOLUCIONES SÓLIDAS
Una solución sólida es una solución en estado sólido de uno o más solutos en un solvente.
El soluto puede incorporarse dentro de la estructura cristalina del disolvente bien
mediante sustitución, reemplazando cada átomo del disolvente por un átomo del soluto (y
formará una solución sólida sustitucional), o bien de forma intersticial, encajándose los átomos
de soluto dentro del espacio que hay entre los átomos del disolvente. Ambos tipos de solución
sólida afectan a las propiedades del material ya que distorsionan, aunque sea poco, la
estructura cristalina y porque perturban la homogeneidad física y eléctrica del material
disolvente.
Algunas mezclas constituirán fácilmente soluciones sólidas en un determinado rango de
concentraciones, mientras que otras mezclas no constituirán nunca soluciones sólidas. La
propensión de dos sustancias a formar una solución sólida sustitucional es un asunto
complicado que dependerá de las propiedades químicas, cristalográficas y cuánticas de los
materiales en cuestión. Por regla general, se pueden formar soluciones sólidas (con solubilidad
total) siempre que disolvente y soluto tengan:
• Similar radio atómico (menos del 15 % de diferencia, para tener solubilidad total):
Cuanto más similares sean, menor distorsión de red y por tanto mayor solubilidad.
• Igual estructura cristalina.
•
Similar electronegatividad: Los metales deben tener poca afinidad electroquímica para
formar solución sólida. En caso de tener gran afinidad electroquímica se pierde el
carácter metálico y se refuerza el carácter iónico o covalente en la aleación.
•
Misma valencia: Si el soluto aporta más electrones a la nube electrónica que el
disolvente, se favorece la solubilidad.
Aplicación industrial
Diagrama de fases mostrando soluciones sólidas en todo el rango de concentraciones relativas.
El diagrama de fases de la figura muestra una aleación de dos metales que forman una
solución sólida a todas las concentraciones relativas de las dos especies. En este caso, la fase
pura de ambos es de idéntica estructura cristalina, y las propiedades similares de los dos
elementos permite sustituciones parciales en toda la amplia gama de concentraciones relativas
de los dos metales.
Las soluciones sólidas tienen importantes aplicaciones comerciales e industriales, tales como
la obtención de mezclas que pueden tener propiedades superiores a las de los materiales
puros. Muchas aleaciones de metales son soluciones sólidas. Incluso pequeñas cantidades de
soluto pueden afectar a las propiedades físicas y eléctricas del solvente.
Tipos
Existen 2 tipos de soluciones sólidas:
•
Sustitucional: El átomo o ion del soluto, ocupa el lugar de los átomos o iones del solvente
•
Intersticial: El átomo o ion del soluto se coloca en el intersticio de la celda unitaria del
solvente.
Son muy pocos los metales que se utilizan de forma pura o casi pura, pues la mayoría de ellos
se combinan con otros metales o no metales para conseguir materiales de mayor dureza,
resistencia
mecánica,
resistencia
a
la
corrosión u otras propiedades. Estos materiales se conocen con el nombre de aleaciones.
En
toda
aleación
se
debe
cumplir:
— Los elementos a mezclar deben ser totalmente miscibles en estado liquido, para que al
solidificar
se
origine
un
producto
homogéneo.
—— El producto obtenido debe poseer carácter metálico; es decir, su estructura interna ha de
ser
igual
que
la
de
los
metales.
Algunos ejemplos los tenemos en el latón ( tiene el 70% de cobre y 30% de cinc ) u otras más
complejas como las aleaciones a base de níquel utilizadas en motores a reacción, en cuya
composición existen unos diez elementos .
Algunos ejemplos los tenemos en el latón ( tiene el 70% de cobre y 30% de cinc ) u otras más
complejas como las aleaciones a base de níquel utilizadas en motores a reacción, en cuya
composición
existen
unos
diez
elementos
.
Al elemento que aporta la mayor proporción se le denomina disolvente y soluto al de menor
proporción.
La aleación cristaliza según la misma red tridimensional del disolvente.
Si lo anterior no se cumple, o sea, la red que se adopta es la del elemento que aporta menos
parte
de
la
mezcla,
es
a
éste
al
que
se
denomina
disolvente
Las
soluciones
sólidas
pueden
ser
de
dos
tipos
— De sustitución, cuando algunos átomos de la red cristalina del metal se encuentran
sustituidos
por
átomos
de
otro
metal
diferente.
— De inserción, cuando en los espacios interatómicos de la red cristalina de un metal se
introducen átomos extraño.
Soluciones Sólidas de sustitución
Las condiciones que se deben cumplir son
•
Ambos
metales
han
de
cristalizar
en
el
mismo
sistema.
• Debe tener la misma valencia y por tanto el número de electrones que ceden a la nube
electrónica
es
el
mismo.
•
Electronegatividad:
Debe
e
ser
lo
mas
parecida
posibles.
•
Los
diámetros
atómicos
no
deben
diferir
en
más
de
un
15%.
Se puede dar el caso que aún cumpliéndose todas las condiciones anteriores, la solubilidad
no sea total, o sea solo admita un determinado porcentaje. El cobre y el Níquel la forma de
forma
ilimitada
pero
no
otros
ALEACIÓN POR SOLUCIÓN SÓLIDA DE INSERCIÓN
En este caso, los átomos de soluto se introducen en los intersticios existentes en la red
cristalina
del
disolvente.
Se cumple cuando el tamaño de los átomos del soluto es muy pequeño comparado con el
disolvente.
Ejemplos
son
Carbono,
Oxígeno,
Nitrógeno
o
Hidrógeno.
Un ejemplo es la ferrita (BCC) conde tenemos el carbono en los huecos de la red del hierro.
diagrama de fases.
Procesos de obtencion de hierro y acero .
1. Prospección y Exploración
Esta etapa tiene como propósito conocer las características de los yacimientos,
principalmente cuantitativas y cualitativas, así como estudiar los aspectos técnicos y
económicos que determinarán la factibilidad de su aprovechamiento. Se utilizan herramientas
que van desde la exploración de campo y estudio de los mantos por medio de perforaciones,
hasta la información obtenible a través de aerografías y satélites; así se clasifican nuestros
yacimientos de acuerdo con sus propiedades físicas y químicas. Por estas razones el
departamento de control de la calidad y de planificaciones, hace necesario mantener un
inventario preciso de los volúmenes disponibles de los diferentes tipos de mineral, así como
su localización dentro del yacimiento.
2. Voladura de Mina
Constituye una de las fases más importantes del proceso, esto debe ser cuidadosamente
planificado de manera tal que el mineral obtenido se encuentre dentro de los lineamientos
dados por la gerencia de calidad a fin de satisfacer los requisitos de producción.
Las operaciones de extracción del mineral de hierro en los yacimientos se inicia con las
perforaciones para las voladuras. Para esta operación se cuenta con taladros eléctricos
rotativos, que pueden perforar con diámetros de 31 a 38 cm y profundidades de hasta 18 m,
lo que permite construir bancos de explotación de 15 m de altura. El número de
perforaciones en el área mineralizada depende del tonelaje que se quiera producir, el
explosivo utilizado es una mezcla de Nitrato de aluminio con gasoil.
3. Envío de Mineral de a la planta de procesamiento.
Una vez que el mineral es fracturado, por efecto de la voladura, es removido por palas
eléctricas desde los distintos fuentes de producción. Las palas cuentan con baldes de 7,3 m3
y de 10 m3 de capacidad, luego el mineral es vaciado en camiones roqueros marca
LECTRA-HALL de 90 toneladas de capacidad.
(Se usan adicionalmente cargadores frontales con capacidad de 60 m3 cada uno).
Para el acarreo del mineral de los frentes de producción hasta la plata forma o andenes de
carga con capacidad de 35 vagones de 90 toneladas cada uno, se utilizan camiones de 90 y
160 toneladas. El coordinador de aseguramiento asigna durante el proceso de carga el
número de la pala y registra el corte de vagones, con el número de cada vagón, el código de
la mina, el muelle de carga y la estimación del porcentaje de mineral fino y grueso cargado.
Los grupos de vagones, una vez cargados en 1os frentes de producción, son llevados al
patio de ferrocarril, donde se realizan los acoples hasta formar trenes de aproximadamente
125 vagones. En el proceso de carga, un operario muestreador toma muestra de los vagones
para la determinación del grado químico y físico del mineral cargado; las muestras son
entregadas al Coordinador de Aseguramiento para llevarlos al laboratorio. Los resultados
obtenidos son registrados.
El jefe de turno del Departamento de Aseguramiento estima el corte o grupo de vagones
cargados conforma y sectoriza el tren, entregando la liberación al Supervisor de operaciones
ferroviarias. En la conformación de trenes verifica la secuencia de corte de vagones por cada
tren. Para el traslado del
mineral a la planta de procesamiento, los trenes son remolcados por tres locomotoras diesel
eléctricos.
4. Vaciado del Mineral
Al llegar el mineral todo en uno (TEU) a la planta de procesamiento, los trenes son
seleccionados en grupos de 15 vagones según la distribución realizada por el departamento
de seguridad, de acuerdo a los requerimientos de las pilas de mineral a homogenizar. La
operación de vaciado consiste en desalojar el mineral de los vagones, los cuales son
impulsados por el empujador de vagones (FD-800) individualmente hasta posicionarlos
dentro del volteador de vagones que se encuentra en la entrada del sector de trituración
primaria. El volteo de un corte, generalmente presenta una duración de 35 a 40 min. si se
opera en optimas condiciones.
Extracción del Mineral de Hierro
El mineral extraído de una mina de fierro puede ser de carga directa a los altos hornos o
puede requerir de un proceso de peletización para ser utilizado en la producción del acero,
esto según sea su calidad.
Es importante destacar que si el mineral posee bajo contenido de impurezas (principalmente
fósforo y azufre), puede ser utilizado para carga directa, requiriendo sólo tratamientos de
molienda y concentración. Este es el caso de Minas el Romeral.
Si, por el contrario, el contenido de impurezas es relativamente alto, se realiza también la
molienda y concentración, pero requiere además de un proceso químico de peletización,
donde se reducen significativamente dichas impurezas.
PERFORACIÓN Y TRONADURA:
La explotación del yacimiento de El Romeral se concentra en el cuerpo mineralizado
denominado Cerro Principal, mediante el método de cielo abierto, con un rajo alargado en el
sentido norte-sur, de acuerdo a la forma del cuerpo mineralizado.
La longitud del rajo alcanza alrededor de 1.700 m y su ancho a 600 m, en la parte central. El
acceso principal al rajo se realiza por el extremo sur, en el nivel 270 m, donde se encuentra
ubicada la tolva de recepción de la Planta de Chancado y se inician los caminos hacia los
botaderos de lastre y acopios de minerales.
La altura del banco también varía de acuerdo los sectores; los bancos situados sobre el nivel
250 tienen una altura de 12,5 m, en tanto que los bancos bajo dicho nivel tienen una altura
de 10 m.
La perforación para tronadura se realiza mediante la combinación de 2 perforadoras con
martillo en el fondo, Ingersoll Rand modelo T-4, con diámetro de perforación de 9 1/2" y una
perforadoras Bucryus Erie 45-R, con diámetro de perforación de 9 7/8". Los tiros se perforan
verticalmente, en mallas triangulares o cuadradas y con un espaciamiento variable de
acuerdo al tipo de material, explosivos y diámetro de la broca.
Se agrega agua durante la perforación en zonas secas a fin de evitar la polución ambiental.
La perforación secundaria se realiza con perforadora neumática montada sobre orugas. El
explosivo para tronaduras consiste principalmente en Anfo pesado, una mezcla de diversas
proporciones de Anfo (nitrato de amonio y petróleo) y una emulsión de mayor poder
explosivo y resistente al agua.
Las proporciones de la mezcla de Anfo y emulsión dependen de la aplicación requerida,
especialmente del tipo de roca y la abundancia de agua en el sector. El carguío del explosivo
se realiza por medio de camiones fábrica, que se caracterizan por acarrear los componentes
hasta el hoyo perforado y producir la mezcla explosiva en el momento del carguío.
Los explosivos son suministrados en el hoyo de perforación por empresas especializadas en
el rubro.
Las cargas explosivas de cada hoyo se conectan por líneas a las que se aplica retardadores,
lo que permite un tiempo de detonación distinto a cada tiro, con la consiguiente mayor
fracturación de la roca y minimización del daño en las paredes del rajo.
CARGÍO:
El carguío del material tronado se realiza con Palas eléctricas y cargadores frontales. Las
palas eléctricas operan con baldes de llenado rápido de 12 y 13 yd3 (*) de capacidad,
mientras los cargadores frontales utilizan baldes de 11.7 yd3. Los cargadores frontales se
destinan habitualmente al carguío de mineral para la alimentación de Planta de Chancado,
mientras las palas orientan su accionar a la extracción de estéril.
TRANSPORTE:
Transporte de materiales mina. El transporte de mina se distribuye entre el despacho de
minerales a Planta de Chancado y acopios, y el material estéril hacia botaderos. Para esto se
dispone de una flota de camiones de 50 TM, 91 TM y 140 TM de capacidad. Los
caminos de interior mina se encuentran diseñados con una pendiente de 10%, mientras el
tramo desde la salida sur de la mina hacia botaderos presenta una pendiente promedio de
4%.
Equipos de Apoyo
Se dispone de la siguiente flota de equipos para el apoyo de las
operaciones mineras cargador frontal, tractores sobre orugas,
tractor sobre orugas, tractores sobre neumáticos,
motoniveladoras. Estos equipos deben construir caminos,
mantener las carpetas de rodado de caminos y plataformas de
trabajo y apoyar a los equipos de carguío en sus frentes de
trabajo.
TRITURACIÓN Y MOLIENDA:
La trituración se realiza tiene por objeto reducir el tamaño de los minerales. Se hace en seco
en máquinas llamadas trituradoras, que pueden ser de mandíbulas o giratorias.
La molienda puede hacerse con materiales húmedos o secos. Se utilizan los molinos
rotatorios. La diferencia entre un proceso y otro está en el tamaño de los materiales
obtenidos en cada proceso: en la molienda se obtiene el mineral en partículas más pequeñas
que en la trituración.
CLASIFICACIÓN:
Es la separación del material obtenido en los procesos anteriores por tamaños similares. Se
utilizan diversos instrumentos y procedimientos.
Criba: separan el material por tamaño, por una parte los que pasan por una malla y los que
no pasan.
Tamiz: es una criba fina y se usa para obtener partículas muy pequeñas.
Procedimiento de clasificación hidronámica: se basa en el principio de que un líquido donde
se introducen las partículas de mineral obtenido en los procesos anteriores, por efecto de las
diferentes velocidades de caída. Al cabo del tiempo, tendrá lugar una estratificación de éstas,
de forma que las de mayor densidad quedarán en las capas inferiores y las de menor en las
superiores.
CONCENTRACIÓN:
Es la operación de separar la mena de la ganga. Los procedimientos son:
ı Flotación: Se separan las partículas de materiales diferentes haciendo que las de uno de
ellos flote sobre un líquido y las demás estén sumergidas en él.
ı Separación magnética: Un material con propiedades magnéticas se puede separar de la
ganga aplicando al conjunto un campo magnético.
Briqueteado
Se suministra esponja de hierro granular a una prensa de rodillos a temperaturas de 600 a
850ºc para moldeado de briquetas calientes. Se produce una estructura de tira de esponja de
hierro que contiene las briquetas calientes formadas, las cuales se colocan a una distancia
entre sí. Al desintegrar la estructura de tira, las briquetas calientes se separan entre sí, de
manera que se obtienen fragmentos de la estructura de tira. Las briquetas calientes y por lo
menos parte de los fragmentos se enfrían a temperaturas en el intervalo desde 20 hasta
400ºc, y las briquetas enfriadas y fragmentos se hacen pasar a través de un tambor giratorio.
En el tambor giratorio, se producen finos de grano fino de las briquetas y fragmentos.
Posteriormente, estos finos se separan de las briquetas y fragmentos, pues muestran un
comportamiento pirofórico.
Peletización
Proceso de Peletización del Hierro
Si el mineral posee bajo contenido de impurezas (principalmente fósforo y azufre), puede ser
utilizado para carga directa a Altos Hornos, requiriendo sólo tratamientos de molienda y
concentración. Este es el caso de Mina El Romeral.
Si, por el contrario, el contenido de impurezas es relativamente alto, se realiza también la
molienda y concentración, pero requiere además de un proceso químico de peletización,
donde se reducen significativamente dichas impurezas.
Procesos tecnológicos para la obtención del acero.
Desde el punto de vista químico−metalúrgico, todos los procesos de fabricación de acero se
pueden clasificar en ácidos y básicos (según el refractario y composición de la escoria
utilizada ), y cada proceso tiene funciones específicas según el tipo de afino que puede
efectuar. Los procesos ácidos utilizan refractarios de sílice, y por las condiciones de trabajo
del proceso hay que poder formar escorias que se saturen de sílice. Los procesos ácidos
pueden utilizarse para eliminar carbono, manganeso y silicio; no son aptos para disminuir el
contenido en fósforo y azufre, y por esto requieren el consumo de primeras materias
seleccionadas, cuyo contenido en fósforo y azufre cumple las especificaciones del acero final
que se desea obtener. Los procesos básicos utilizan refractarios de magnesita y dolomía en
las partes del horno que están en contacto con la escoria fundida y el metal. La escoria que
se forma es de bajo contenido de sílice compensada con la cantidad necesaria de cal. El
proceso básico elimina, de manera tan eficaz como el proceso ácido, el carbono, manganeso
y silicio, pero además eliminan el fósforo y apreciables contenidos de azufre. De aquí las
grandes ventajas del proceso básico, por su gran flexibilidad par consumir diversas materias
primas que contengan fósforo y azufre, y por los tipos y calidades de acero que con él se
pueden obtener. Desde el punto de vista tecnológico existen tres tipos fundamentales de
procesos:
1) Por soplado, en el cual todo el calor procede del calor inicial de los materiales de carga,
principalmente en estado de fusión.
2) Con horno de solera abierta, en el cual la mayor parte del calor proviene de la combustión
del gas o aceite pesado utilizado como combustible; el éxito de este proceso se basa en los
recuperadores de calor para calentar el aire y así alcanzar las altas temperaturas eficaces
para la fusión de la carga del horno.
3) Eléctrico, en el cual la fuente de calor más importante procede de la energía eléctrica (
arco, resistencia o ambos ); este calor puede obtenerse en presencia o ausencia de oxígeno;
por ello los hornos eléctricos pueden trabajar en atmósferas no oxidantes o neutras y
también en vacío, condición preferida cuando se utilizan aleaciones que contienen
proporciones importantes de elementos oxidables.
En la fabricación de acero existen las fases hierro, escoria y gases. Este sistema
heterogéneo tiende a un estado de equilibrio si se adicionan unos elementos reaccionantes o
varía la temperatura o la presión. Al fabricar un acero se pretende eliminar de la fase hierro
los elementos perjudiciales en acceso y añadir los
que faltan para conseguir el análisis final previsto. Por las reacciones reversibles entre las
tres fases ( hierro, escoria y gases ) se consigue, al producirse un desequilibrio, la
segregación o paso de elementos, eliminar del hierro la escoria, o viceversa. Es necesario un
profundo conocimiento de estas reacciones para fabricar un acero con buen resultado. Todo
el proceso de obtención de acero consta de un primer período oxidante o de afino, en el que
se elimina el Carbono en fase gaseosa; el silicio y el manganeso se oxidan formando
compuestos complejos con la escoria, que puede eliminarse; si la escoria es además básica,
se elimina el fósforo. El segundo período es reductor y debe eliminar el exceso
de óxido de hierro disuelto en el baño del hierro durante el período oxidante, a fín de poder
eliminar después el azufre; o puede también recuperar el manganeso oxidado que pasó a la
escoria. Finalmente, hay un período de desoxidación o refino por acción de las
ferro−aleaciones de manganeso y silicio, que
se adicionan en el baño a la cuchara, y de aluminio metálico, en la lingotera. Estos períodos
pueden tener mayor o menor duración e importancia y realizarse netamente separados o
entrelazados, y a mayor o menor velocidad en unos procesos que en otros. El desescoriado
puede ser total o parcial en cada
período, o transformar las primeras escorias oxidantes en reductoras. Todo ello dependerá
del horno o proceso utilizado, de las condiciones de las materias primas, de los elementos
que interesa que pasen a la escoria y no retornen de ésta al baño de hierro, etc.
México cuenta con varios minas de hierro que la producción es tan significativa como las de
otros países a continuación se menciona uno de los principales minas de hierro en México:
Mina el volcán: ubicado en el estado de Sonora, es uno de los principales minas de hierro de
México y es operada por la empresa Arcelor Mittal México y cuenta con reservas de mineral
de hierro de alta ley.
Mina las encinas: se encuentra en el estado de Durango y es operado por las empresas altos
hornos de México, esta mina es una de las más importantes en el país ya que cuenta con
reservas de mineral de hierro de alta calidad.
Mina el cerro de mercado: ubicado en el estado de Durango es una de las minas más
antiguas de México ya que ese comenzó a explotar en la época colonial actualmente es
operada por la impuesta empresa peñoles y se encuentra en proceso de expansión.
Principales minas de hierro en el mundo:
Minas De Hierro De Vale; Vale es una empresa
brasileña o de minería que opera varias minas de
hierro en Brasil incluyendo la mina de Caracas la
mayor mina de hierro del mundo vale también
opera minas de hierro en otros países como
Canadá y Australia, La minera brasileña Vale fue
la principal productora mundial de mineral de
hierro en 2020, con una producción total de algo
más de 300 millones de toneladas, un pequeño
descenso respecto a 2019, cuando produjo 302
millones de toneladas del mineral metálico. La
mina de Carajás, en el norte de Brasil, es la mayor operación de Vale y se encuentra entre las
mayores minas de mineral de hierro del mundo.
Propiedades Y Aplicaciones De Las Fundiciones.
Cuando se habla de fundición, se piensa en piezas metálicas fabricadas mediante el
vertido del metal fundido (colada) en un molde con la forma y tamaño ligeramente
sobredimensionado para tener en cuenta la contracción del metal durante la etapa
posterior de solidificación y enfriamiento.
Los moldes se hacen de varios materiales que incluyen arena, yeso, cerámica y metales.
Los distintos procesos de fundición existentes se clasificarán de acuerdo a los diferentes
tipos de moldes que se empleen.
El metal fundido adopta la cavidad del molde, y al enfriarse se procederá a removerlo del
propio molde. Muchas de las propiedades y características que la fundición finalmente
adquiera, dependerá de los numerosos procesamientos posteriores en función del método
de fundición y del metal que se use. Entre ellos destacaremos:
- El desbaste del metal excedente de la fundición.
- La limpieza de la superficie.
- Tratamiento térmico para mejorar sus propiedades.
Aunque del horno alto en las siderurgias se obtiene la forma más impura de hierro
comercial: arrabio (pig iron) que en realidad puede considerarse como una fundición (el
contenido de carbono varía entre 2-4%), cuando nos referimos habitualmente a "fundición"
(también llamado hierro colado) no tratamos de arrabio, sino de otras formas comerciales
más puras, resultado de la refusión de arrabio, en hornos de cubilote, que son un tipo de
horno poco costoso, de gran rendimiento y cuyo combustible no es caro, pues se trata de
gas de coquería.
En realidad, y concretando la definición, las fundiciones de hierro son aleaciones de hierro
(Fe) y carbono (C), donde el contenido en carbono puede variar del 2 al 5%, pudiendo
presentar además cantidades de otros elementos en la aleación como silicio (Si) del 2 al
4%, de manganeso (Mn) hasta 1%, y siendo bajo el contenido de azufre (S) y de fósforo
(P).
No obstante, también debe tenerse en cuenta que la presencia de elementos de aleación
puede modificar la máxima solubilidad de carbono en la austenita, por lo que algunas
fundiciones aleadas podrían tener incluso menos del 2% de carbono y ser consideradas
también como fundición.
Las fundiciones tienen innumerables usos y sus ventajas más importantes son:
- Son más fáciles de maquinar que los aceros.
- Se pueden fabricar piezas de diferente tamaño y complejidad.
- Al tener las fundiciones unas temperaturas de fusión claramente inferiores a las de los
aceros, en su fabricación no se necesitan equipos ni hornos muy costosos, por lo que las
instalaciones necesarias son más sencillas y económicas.
Absorben las vibraciones mecánicas y actúan como autolubricantes.
- Son resistentes al choque térmico, a la corrosión y presentan buena resistencia al desgaste
y son relativamente duras.
- Y por otro lado, al ser las fundiciones aleaciones con muy alto contenido en carbono son,
en general, muy frágiles, por lo que no se pueden conformar por forja, laminación o
extrusión, sino que las piezas de fundición se conforman directamente por moldeo,
pudiéndose fabricar piezas de fundición de muy diferentes tamaños y complejidad.
Sin embargo, es la economía que suponen la fabricación de fundiciones hierro-carbono (FeC), comparadas con otras aleaciones, lo que justifica la extensa aplicación de las
"fundiciones" en la industria.
Además, a igualdad de sobrecalentamiento, la "fundición" líquida es la más fluida de todas
las aleaciones moldeadas, lo que permite adaptarse perfectamente a la producción de
piezas delgadas y de perfil complicado.
No obstante, debido a su alta densidad libera gases e inclusiones no metálicas con mayor
facilidad que las aleaciones ligeras.
Por otro lado, la contracción que sufren las piezas de fundición es pequeña (0 a 1,9 %)
frente a las piezas fabricadas en acero o de aleaciones ligeras (4 a 6 %). Y el rechupe es
aproximadamente la mitad que el de las otras aleaciones de moldeo.
Al no tratarse las fundiciones de aleaciones forjadas, lógicamente, su alargamiento será
muy pequeño, y su resiliencia baja.
Clasificación
Las fundiciones se suelen denominar de acuerdo con la apariencia de su fractura. En este
sentido, las fundiciones se clasifican principalmente en fundición gris (la superficie de rotura
presenta un gris oscuro), fundición blanca (blanco brillante) o atruchada (superficie de rotura
color grisáceo).
En realidad, las fundiciones están constituidas
por una muy extensa familia de materiales férreos cuya característica común es que terminan
su solidificación con la reacción eutéctica del diagrama hierro-carbono (Fe-C). Ver diagrama
hierro-carbono de la figura adjunta. La figura representa en realidad dos diagramas, el
metaestable hierro-carbono y el diagrama estable hierro-grafito.
Una fundición, en sus etapas de solidificación, podrá seguir uno u otro camino (o ambos)
en función de su composición química (a través del potencial grafitizante) y de la velocidad
de enfriamiento utilizada (que a su vez también depende del tamaño de la pieza), dando
lugar a uno u otro tipo de familia de fundición.
En este sentido, existen elementos químicos que incrementan el potencial grafitizante de
una fundición y por lo tanto favorecerán la aparición del carbono en forma de grafito. Y
también otros elementos que van a favorecer la aparición del carbono en forma de carburos
(son los elementos carburígenos). Esto condicionará, como se verá más adelante, la
aparición de una u otra familia de fundición.
Por otro lado, la velocidad de enfriamiento también es otra variable que influye de manera
importante en el estado en que aparezca el carbono, y por tanto, el tipo de familia de
fundición que se origine.
Así, los enfriamientos lentos van a favorecer la formación de carbono en forma de grafito,
mientras que los enfriamientos más rápidos favorecerán la formación de carburos.
Propiedades generales de las fundiciones.
1. Propiedades mecánicas
Con carácter general, las fundiciones de hierro son aleaciones que resultan ser muy
frágiles, de una dureza relativamente elevada, resistentes al choque térmico, a la
corrosión, absorben bien las vibraciones, son de bajo costo y presentan poca
soldabilidad en comparación con el acero.
Aspecto: La superficie exterior de las fundiciones es de un color gris oscuro, mientras que
el color de la fractura resulta ser distinta dependiendo del tipo de fundición que se trate:
oscura (para la fundición negra); gris (fundición gris) o atruchada (puntos claros sobre fondo
oscuro, o viceversa) o bien, de apariencia clara (fundición blanca). Cuando la pieza de
fundición queda al aire libre, la superficie externa se cubre de herrumbre (óxido hidratado
de hierro) de un color rojo pardo que penetra lentamente en el interior.
• Peso específico: El peso específico varía con el tipo de fundición que se esté
considerando, aunque se puede admitir los siguientes valores medios:
- Fundición gris: 7 a 7,2 kg/dm3
- Fundición atruchada: 7,3 a 7,4 kg/dm3
- Fundición blanca: 7,4 a 7,6 kg/dm3
• Temperatura de fusión: Aunque la temperatura de fusión de las fundiciones varía con la
composición, con carácter general se debe decir que presentan un punto de fusión
notablemente más bajo que el de los aceros, debido a su elevado contenido de carbono,
pudiéndose considerar los siguientes valores medios:
- Fundición negra gris: 1200° C
- Fundición blanca: 1100° C
• Fluidez: Mediante la fluidez se trata de describir la propiedad del metal cuando se
encuentra en estado líquido de poder recorrer y de rellenar bien los moldes. En este sentido,
las fundiciones presentan buena colabilidad (gran fluidez) en estado líquido, siendo la
fundición fosforosa más fluida que la fundición con poco fósforo.
• Contracción: Todo metal al solidificarse sufre una contracción. En la fundición blanca,
esta contracción es casi similar a la del acero (entre 16-18‰), mientras que en las
fundiciones grises, en las cuales durante el proceso de solidificación se segregan unas
laminillas de grafito con un aumento del volumen de la masa, la contracción final resultará
menor (entorno al 10‰) En todo caso, la contracción final que sufra la fundición al
solidificarse variará también en función de los obstáculos que encuentre la colada en el
molde.
• Resistencia a la tracción: La fundición gris posee una carga de rotura a la tracción que
varía entre 30, 40 y 45 kg/mm2. Las fundiciones maleables presentan una carga de rotura
entre 35 y 40 kg/mm2, mientras que las fundiciones aleadas y las esferoidales sobrepasan
este límite, llegando a cargas de rotura comparables a las de los aceros de calidad (entre
70 y 80 kg/mm2).
Por otro lado, la resistencia a la compresión que presentan las fundiciones es siempre mayor
que la de tracción. Incluso para las fundiciones grises normales la resistencia a la
compresión resulta ser tres o cuatro veces el valor de la de tracción. Por este motivo, las
piezas de fundición deberán ser utilizadas preferiblemente en aquellos casos que vayan a
estar sometidas a esfuerzos de compresión.
• Resistencia al choque: Mediante la resiliencia se pondera la resistencia al choque de un
material, es decir, es una medida de la tenacidad del material, que se define como la
capacidad de absorción de energía antes de aparecer la fractura súbita. En este sentido, el
comportamiento de las fundiciones a las solicitaciones dinámicas (choques, impactos...) es
muy dispar y depende del tipo de fundición.
• Dureza: La dureza es una propiedad que mide la capacidad de resistencia que ofrecen
los materiales a procesos de abrasión, desgaste, penetración o de rallado. En las
fundiciones, la dureza es relativamente elevada. Así, las fundiciones grises presentan una
dureza que varía de 140 a 250 Brinell. Este tipo de fundiciones se puede mecanizar
fácilmente, dado que la viruta se desprende fácilmente, y porque con la presencia de grafito
liberado, éste actúa a modo de lubricante del paso de la viruta sobre el corte de la
herramienta.
2. Soldabilidad de las fundiciones.
Mientras que la fundición blanca presenta serios problemas de soldabilidad, la fundición gris
sí que es soldable, siempre que se empleen los métodos apropiados de soldeo como a
continuación se exponen.
Ello es debido a que el ciclo de calentamiento y enfriamiento que conlleva todo proceso de
soldadura, origina fenómenos de expansión y contracción, lo que va a crear tensiones de
tracción en la pieza fundida durante la fase de contracción. Habida cuenta que las
fundiciones se comportan peor a tensiones de tracción que de compresión, se justifica la
necesidad de adopción de medidas especiales para garantizar una buena soldabilidad.
Por otro lado, la familia que constituyen las fundiciones nodulares, cada vez más empleada
en la actualidad, son también soldables, mientras que un método práctico para soldar piezas
de fundición maleable es la soldadura fuerte (brazing) empleando varillas de aleaciones de
cobre. En todo caso, para obtener los mejores resultados en la soldadura de piezas de
fundición nodular y fundición maleable, se recomienda que éstas deberán ser soldadas en
estado recocido.
Centrando el estudio de soldabilidad en la fundición gris, dado que más del 90% de las
fundiciones que se emplean habitualmente pertenecen a esta familia, los métodos más
usuales para la soldadura de piezas de fundición gris son los siguientes:
• Soldadura oxiacetilénica, si son piezas de pequeñas dimensiones. • Soldadura por arco
eléctrico con electrodo revestido, recomendada para piezas más voluminosas donde se
hace necesario realizar una preparación previa de los bordes a unir.
-Soldadura oxiacetilénica:
La soldadura oxiacetilénica es un procedimiento a
menudo empleado para ejecutar soldadura de
piezas de hierro fundidas (fundición gris), sobretodo
si son de pequeñas dimensiones. La llama a
emplear en este caso deberá ser neutra. Como
materiales de aporte se suelen emplear dos tipos de
metales de rellenos: varillas de hierro fundido (RCIA y RCI-B) y las barras de zinc-cobre (RZnCu-B y
RznCu.
Las soldaduras que sean ejecutadas con las varillas
de hierro fundido adecuadas van a resultar tan
fuertes y resistentes como el metal base. La
clasificación RCI se utiliza para la fundición gris
ordinaria. La varilla RCI-A tiene pequeñas cantidades de la aleación y se utiliza para la
aleación de hierro fundido de alta resistencia, mientras que la varilla RCI-B se puede utilizar
también para la soldadura de hierro fundido nodular y maleable. En todo caso, para que el
procedimiento de soldadura resulte óptimo, se deberá realizar una correcta preparación de
bordes de las piezas a unir, y tener presente realizar un precalentamiento y también un
postcalentamiento una vez ejecutada la soldadura, con objeto de controlar la velocidad de
enfriamiento de las piezas soldadas.
Por otro lado, si se emplean como material de aporte las barras de zinc-cobre se producirán
soldaduras de bronce. Hay dos clasificaciones: RZnCu-B, y RznCu-C. El bronce depositado
en el cordón de soldadura aportará una ductilidad relativamente alta a la unión.
Se recomienda emplear la varilla de material de aporte que ya lleve incorporado en su
revestimiento el fundente extruido. En caso de utilizar varillas sin fundente incorporado,
entonces se deberá emplear un desoxidante para mantener el baño de fusión limpio y fluido,
de lo contrario se formarán óxidos de difícil fusión que dificultarán la operación y provocarán
inclusiones y sopladuras.
En todo caso, se deberá emplear el metal de aporte adecuado y procurar que las piezas se
enfríen lentamente, dado que si el enfriamiento ocurre rápidamente se pueden formar trazas
de fundición blanca en la zona del cordón, con lo que éste quedará duro, frágil y de muy
difícil mecanización.
- Soldadura por arco eléctrico con electrodo revestido (SMAW):
En este apartado se describirá cómo realizar de manera óptima la soldadura de piezas de
hierro fundido mediante el procedimiento de soldadura por arco eléctrico con electrodo
revestido (SMAW).
Antes de iniciar la soldadura es necesario realizar una cuidadosa preparación de la piezas
de fundición a soldar con objeto de eliminar todos los materiales extraños de la superficie,
y limpiar completamente el área de la soldadura. Esto significa quitar restos de pintura,
grasa, aceite y otros materiales indeseables de la zona de soldadura.
Se recomienda, asimismo, realizar una preparación de borde de las piezas a soldar
biselando la zona afectada en forma de "V", con un ángulo de entre 60-90°.
También se recomienda realizar soldaduras con penetración completa para que toda grieta
o defecto que se origine se elimine completamente, dado que cualquier defecto puede volver
a aparecer en condiciones de servicio.
Realizar un precalentamiento previo es conveniente para la soldadura de piezas de
fundición con cualquiera de los procesos de soldadura antes descritos. Este
precalentamiento podrá ser reducido cuando se utilice material de aporte que sea muy
dúctil. Con el precalentamiento se conseguirá reducir el gradiente térmico entre la soldadura
y el resto de la pieza.
En el proceso SMAW para la soldadura de hierro fundido se suelen utilizar cuatro tipos de
metales de aportación:
• Electrodos revestidos de hierro fundido
• Electrodos revestidos con aleación de base cobre
• Electrodos revestidos a base de níquel, y
• Electrodos revestidos de acero suave.
3. Fundiciones blancas
Las fundiciones blancas son aquellas aleaciones de hierro y carbono que terminan su
solidificación a 1.148 ºC, siguiendo la siguiente transformación eutéctica:
Aleación líq. (4,3%C) → Austenita (2,1%C) + Fe3C (6,67%C)
Este agregado eutéctico de austenita y cementita, que forma el constituyente matriz de las
fundiciones blancas, recibe el nombre de ledeburita. Esta es la característica general de
toda fundición blanca, es decir, que el intervalo de solidificación termina en la eutéctica, por
lo que todas presentan ledeburita. Por tanto, se llama ledeburita al constituyente eutéctico
que se forma al enfriar la fundición líquida de 4,3% C siguiendo el diagrama hierro-cementita
metaestable, y que está formada por 52% de cementita (al 6,67%C) y 48% de austenita (al
2,1% C). La ledeburita no existe a temperatura ambiente en las fundiciones ordinarias
debido a que en el enfriamiento se transforma en cementita y perlita. Sin embargo en las
fundiciones se pueden conocer la zonas donde existió la ledeburita por el aspecto eutéctico
con que quedan las agrupaciones de perlita y cementita.
Para favorecer la solidificación según el
sistema metaestable, el contenido en silicio
(Si) de las fundiciones blancas deberá ser
pequeño. El silicio (elemento de carácter
gammágeno) es un elemento que no tiene
afinidad por el carbono (en realidad es
grafitizante), y de esta manera siempre
aparecerá formando una solución sólida
tanto en la ferrita como en la austenita. La
microestructura final de cualquier fundición
blanca hipoeutéctica, la más empleada,
constará de unos dendritos globulares de
perlita (constituyente disperso) rodeados por el constituyente eutéctico o ledeburita, que a
su vez consta , como se ha visto, de una fase matriz de cementita con regiones dispersas
de perlita en su interior. Por lo tanto, las fundiciones blancas se van a utilizar en la
fabricacion de cuerpos moldeadores por su gran resistencia al desgaste, aunque el
enfriamiento rapido de la colada evita la grafitizacion de la cementita, si se calienta de nuevo
la pieza colada a una temperatura de 870°, el grafito se va formando lentamente adoptando
una forma caracteristica conocida como carbono de revenido, resultando un tipo de
fundicion maleable, la fundiciones maleables se utilizan en la fabricacion de partes de
maquinaria agricola, industrial y de transporte.
4. Fundiciones grises
La fundiciones grises, que representan más del 90% de todas las fundiciones, son
aquellas donde el carbono aparece en forma de grafito debido a que solidifican según el
diagrama estable, es decir, los constituyentes de equilibrio durante la solidificación son
austenita y grafito libre, y por consiguiente no presentan ledeburita. Para que una
fundición siga el diagrama hierro-carbono estable al solidificar, deberá poseer un alto
potencial grafitizante (que se traduce en poseer un alto contenido en silicio, normalmente
entre un 2 y el 3% de Si) y/o también seguir una velocidad de enfriamiento muy lenta.
Por tanto y resumiendo, entre los principales factores que van a favorecer la solidificación
estable, y por tanto la formación de fundición gris, son:
- Una lenta velocidad de enfriamiento de la colada, que es más fácil de conseguir si las
piezas son grandes y voluminosas. De hecho, una misma fundición dependiendo de sus
condiciones de enfriamiento, puede solidificar como fundición blanca o como fundición
gris. Para idénticas condiciones de refrigeración (por ejemplo, moldeo en coquilla y
enfriamiento al aire), la velocidad de enfriamiento será tanto más lenta cuanto mayor sea
el tamaño de la pieza o, mejor aún, el enfriamiento de la pieza será más lento cuanto
mayor sea su módulo másico (relación volumen/área superficial). Por el contrario, si la
velocidad de enfriamiento es muy rápida se formará fundición blanca (con carburos), pero
conforme disminuya la velocidad con que se realice el enfriamiento de la colada se iría
obteniendo progresivamente fundición gris, pasándose entre tanto por una microestructura
intermedia de fundición atruchada (coexisten grafito y carburos).
- Presencia en la aleación de elementos denominados grafitizantes como el silicio (Si),
fósforo (P), aluminio (Al), níquel (Ni), cobre (Cu). En contraposición estarían los elementos
no carburígenos, como el cromo (Cr), molibdeno (Mo) o el wolframio (W) que favorecerían
el enfriamiento metaestable. El efecto estable de los elementos grafitizantes (Si, P, Al, Ni,
Cu) es la de diluir los preagrupamientos atómicos hierro-carbono (Fe-C) para que no
produzcan posteriormente cementita. Esta dilución viene favorecida por un efecto de
afinidad, dado que el Fe es más afín a preagruparse con Si, P, Al, Ni, Cu que con el C.
En otro orden de cosas, hay que decir también que las propiedades mecánicas de toda
fundición gris va a venir determinada por tres factores fundamentales:
- la ausencia de carburos
- la forma, tamaño y distribución del grafito
- la microestructura de la fase matriz
En otro orden de cosas, la mayor parte del contenido de carbono en las fundiciones grises
se presenta como grafito, que aparece en forma de escamas o láminas, las cuales dan al
hierro su color característico y propiedades. El carbono en forma de grafito ocupa un
volumen mucho mayor que el carbono combinado en forma de cementita (de hecho, el peso
específico del grafito es de tan sólo 2,23 gr/cm 3 que es inferior frente a otras formas de
carbono como el diamante cuyo peso específico es de 3,51 gr/cm3).
En toda fundición gris el grafito puede obtenerse con morfología laminar (el más común
industrialmente), o bien, en forma esferoidal.
La morfología del grafito laminar se suele presentar también en alguna de las siguientes
formas características:
- en forma de láminas largas (grafito tipo A, según la clasificación ASTM), donde este tipo
de grafito está asociado a un óptimo de las propiedades mecánicas de la fundición;
- en forma de rosetas (grafito eutéctico tipo B), que indica que la solidificación ha tenido
lugar de manera más rápida, produciéndose un ligero subenfriamiento y germinación
precoz;
- en forma de láminas muy grandes y groseras (grafito tipo C) que aparecen en las
fundiciones hipereutécticas;
- interdendrítico (grafito puntual tipo D) que aparece en fundiciones hipoeutécticas o
eutécticas enfriadas a gran velocidad. Es el grafito puntual;
- interdentrítico (grafito tipo E) en forma de laminillas muy finas y orientadas, que es la
morfología típica que aparece en las fundiciones muy hipoeutécticas.
5. Fundiciones dúctiles o nodulares
Como ya se apuntaba en el apartado anterior, las fundiciones grises dúctiles o nodulares
(también llamadas esferoidales) se caracterizan por presentar el grafito en forma de
pequeñas esferas.
La morfología esferoidal del grafito se consigue al realizar una ligera adición de elementos
inoculantes, principalmente magnesio (Mg), que favorecen la cristalización radial del grafito.
El grafito esferoidal le confiere a este
tipo de fundiciones unas propiedades
metálicas comparables, en cuanto a
resistencia mecánica (valores máximo
de 70-80 kg/mm2), a la de los aceros.
En la figura adjunta se muestra
que la transición de grafito laminar a
grafito nodular o esferoidal no es
brusca, sino que cuando las adiciones
de magnesio como elemento inoculante
no son suficientes, entonces se forma
un tipo de grafito compacto que tiene
una morfología intermedia entre las
otras dos.
El paso de grafito laminar a grafito
esferoidal se traduce en un fuerte
aumento de la resistencia mecánica
(máx. 70-80 kg/mm2) que como se ha
dicho es comparable a la de los aceros,
así como de una mayor ductilidad, dado
que el cambio de morfología reduce considerablemente la concentración local de la tensión.
En la misma figura se puede ver una comparativa entre las curvas tensión-deformación a
tracción de una misma fundición con las diferentes morfologías de grafito (laminar,
compacto y esferoidal).
En cuanto a los tratamientos térmicos habituales de las fundiciones nodulares, estos son
similares a los que se pueden realizar sobre las fundiciones grises laminares, vistos en el
apartado anterior. Y en cuanto a las aplicaciones más habituales para las que se emplean
las fundiciones grises nodulares están la fabricación de tuberías (por colada centrifugada)
y la fabricación de piezas en el sector del automóvil.
6.
Fundiciones atruchadas
Las fundiciones atruchadas se caracterizan por tener una matriz de fundición blanca
combinada parcialmente con fundición gris, dado que en este caso la aleación solidifica, en
parte siguiendo el diagrama estable y, en parte, siguiendo el metaestable. De ahí deriva que
se denominen fundiciones atruchadas, porque presentan, simultáneamente, grafito y
ledeburita, que le confiere su peculiar coloración moteada, parcialmente blanca,
parcialmente gris.
El carbono en este tipo de fundiciones se encuentra en parte libre y combinado a la vez,
siendo difícilmente maquinable.
Las fundiciones atruchadas se pueden dar en coladas de piezas pequeñas en fundición que
era potencialmente gris. De esta forma, aunque el núcleo solidifique según el sistema
estable, dando grafito, la periferia puede (por ser su enfriamiento más rápido) solidificar
"metaestablemente" dando ledeburita. En el caso que las piezas sean muy pequeñas (Ø <
5mm), su proceso de enfriamiento será muy rápido, y su estructura será totalmente blanca.
7. Fundiciones maleables
Las fundiciones maleables difieren del resto de las fundiciones descritas en los apartados
anteriores en que se trata de fundiciones que inicialmente eran blancas (microestructura a
base de cementita y perlita) y se convierten en fundiciones grises en un tratamiento térmico
posterior, resultando un producto relativamente tenaz y dúctil, de ahí su nombre.
Esta familia de fundiciones tienen un contenido en silicio intermedio entre las fundiciones
blancas y grises.
Por tanto, las fundiciones maleables son aleaciones férreas que en estado bruto de
solidificación eran fundiciones totalmente blancas en todo su espesor y que, por recocidos
adecuados de las piezas son transformadas en fundiciones denominadas maleables.
El tratamiento térmico de maleabilización de la fundición blanca de partida para obtener
fundiciones maleables consiste en dos etapas fundamentales:
1º etapa: Grafitización → consiste en un calentamiento de austenización entre 800 y 970°C,
mantenido durante un tiempo suficientemente prolongado (entre 20 y 30 horas), con objeto
de descomponer toda la cementita en grafito
2º etapa: Enfriamiento → durante la etapa de enfriamiento se conseguirá la microestructura
final resultante que será grafito, del tipo compacto, en una matriz de ferrita, ferrita-perlita o
perlita, dependiendo de la velocidad del enfriamiento que ocurra posterior a la
austenización.
Las propiedades mecánicas de la familia de fundiciones maleables van a depender
principalmente de la microestructura de la fase matriz.
Así, una fundición maleable de matriz perlítica puede tener una resistencia de entre 400600 MPa con alargamientos entre el 2 y 10%. Estas fundiciones reciben el nombre de
fundiciones maleables de corazón negro o americanas, para diferenciarlas de otras
fundiciones maleables que se producen en Europa, que son denominadas de corazón
blanco, y que resultan de la descarburación superficial de la fundición blanca de partida.
Así, el tratamiento de maleabilización europeo consiste en un recocido oxidante con el que
se trata de descomponer la cementita y eliminar todo el carbono del producto por difusión
hasta la periferia de la pieza y salida de ésta por combinación con el oxígeno para producir
CO2. El tratamiento consiste entonces en la austenización de la fundición blanca de partida
a una temperatura muy alta (950-1050°C) y permanencia durante 75-100 horas para facilitar
la salida del carbono.
De cualquier manera, no todo el carbono disuelto en la austenita logra difundir hasta la
superficie, por lo que es necesario realizar un enfriamiento lento hasta unos 650°C para
evitar la precipitación de Fe3C y la formación de perlita en la región central de la pieza.
La microestructura final de estas fundiciones es totalmente ferrítica en la superficie,
pudiendo también quedar pequeños nódulos de grafito en el centro de la pieza, cuando
éstas tienen un diámetro superior a 7 mm.
El hecho de que en las fundiciones maleables europeas la superficie de éstas sea ferrítica,
les confiere la posibilidad de galvanización. Otras propiedades de las fundiciones maleables
europeas son la posibilidad de soldeo (contenido de %C < 0,25%), y resistencia al agua de
mar.
Por último, la fundición maleable europea posee una resistencia a la tracción en torno a 350
MPa, 10-20% de alargamiento y una dureza Brinell de aproximadamente 150 unidades.
transformaciones de las fundiciones
Las fundiciones se utilizan en una amplia variedad de aplicaciones en la industria en las que
se incluyen:
1. producción de piezas de maquinaria las condiciones se utilizan para producir piezas
de maquinaria aislamientos de alta calidad como componentes para motores turbinas
piezas de transmisión y válvulas
2. fabricación de piezas de automóviles las fundiciones también se utilizan en la
fabricación de piezas de automóviles incluyendo motores cajas de cambios frenos y
suspensión.
3. producción de piezas para la construcción las fundiciones estilizan para fabricar
piezas de construcción como postes de luz y rejillas de alcantarillado tapa de registro
y accesorios de plomería cuatro
4. fabricación de electrodomésticos las condiciones se utilizan para producir piezas de
electrodomésticos como ollas a presión planchas sartenes y otros utensilios de
cocina.
5. fabricación de artículos decorativos las municiones también se utilizan para fabricar
artículos decorativos como estufas adornos piezas ornamentales para muebles las
fundiciones se utilizan en cualquier aplicación donde se requieran piezas metálicas
con formas complejas y precisas alta resistencia y durabilidad y una alta calidad
superficial.
PROPIEDADES Y APLICACIONES DE LOS ACEROS AL CARBONO Y
ALEADOS.
El acero es un material muy empleado en varios tipos de fabricaciones gracias a sus
propiedades mecánicas como la resistencia, la ductilidad, la maleabilidad, la dureza, etc. Es
una aleación entre el metal, el hierro y el carbono, y la rama de la metalurgia que trabaja este
material se conoce como «siderurgia». El motivo por el que se utiliza desde hace miles de
años y por lo que tiene tantas
aplicaciones es porque se puede encontrar con facilidad en la corteza de la tierra. Si se
hiciera un ranking con los materiales que más abundan en nuestro planeta, ocuparía el
número 14; si el ranking fuera de los materiales que se encuentran en el universo, ocuparía
el cuarto puesto, ya que también se encuentra en las estrellas.
Por lo general, todos los tipos de acero se componen de dos elementos: hierro y
carbono. Los conocidos como «aceros al carbono» suponen el 90% de los tipos de acero. La
diferencia con los demás comienza cuando se añaden otros elementos adicionales para
modificar las propiedades; por ejemplo, el manganeso y el fósforo determinan la durabilidad y
resistencia de este material.
El acero al carbono es un tipo de acero que cuenta con una aleación de elementos, los
cuales son el hierro y el carbono. El principal componente de este material es el carbono, y
es un tratamiento térmico el que determina las propiedades de este material, que puede ser
aleado no solo con hierro, sino también con manganeso para incrementar sus propiedades.
Es un material maleable, lo que lo hace de mucha utilidad para la fabricación de perfiles de
construcción.
Asimismo, este es un producto considerado como un material de alta resistencia y de baja
aleación, aunque existen diferentes categorías en las que se puede dividir, dependiendo de
la cantidad de carbono utilizada. Es un material que puede tomar cualquier forma, razón por
la cual tiene mucha utilidad en la industria de la construcción.
COMPOSICION:
los aceros al carbono se clasifican en 3, los de bajo carbono, medio carbono y alto carbono,
en donde se tiene más de 0.51% de carbono.
Es importante saber que, los aceros de bajo carbono no tienen una dureza adquirida durante
el proceso de templado, pero sí mejoran sus propiedades mecánicas. Mientras que los de
medio carbono adquieren mayor dureza y resistencia. Por otro lado, los de alto carbono se
endurecen pero se tornan en acero muy frágiles.
Este acero al carbono es fabricado mediante un proceso de laminado en donde se utilizan
rodillos en un tren de laminación hasta que se logra obtener el espesor deseado, según el
modelo de acero que se busque.
Tipos de acero al carbono
Se pueden clasificar por su bajo, medio o alto contenido de carbono.
Aceros de bajo porcentaje de carbono
Los aceros con bajo porcentaje de carbono poseen este material en una proporción
inferior al 0,25%, y reciben el nombre de «dulces» o «ferros». Por lo general, son dúctiles,
maleables, manipulables, buena soldabilidad y no responden al tratamiento térmico del
temple. Se calientan un poco si las temperaturas son bajas o tienen un espesor superior a los
25 mm.
Se utilizan para fabricar perfiles estructurales, alambres, clavos, tornillos, barras…
Aceros de mediano porcentaje de carbono
Los aceros de mediano porcentaje de carbono poseen este no metal en un porcentaje
algo superior a los anteriores: concretamente, entre el 0,25% y el 0,55%. Aceptan cierto
grado de temple, son más resistentes y duros, pero también más difíciles de soldar.
Se utilizan para fabricar ejes de vehículos, máquinas, resortes, engranajes, herramientas de
agricultura, cables y alambres con excelentes resultados o vías de ferrocarril.
Aceros de alto porcentaje de carbono
Los aceros de alto porcentaje de carbono tienen un porcentaje de carbono superior al
51%. Son más duros y resistentes que los anteriores, y tienen buena composición para ser
templados. Sin embargo, su soldabilidad es tan baja que ya no se sueldan.
Se utilizan para fabricar herramientas de corte y arranque de viruta como brocas, cintas de
sierra, muelles, discos de arado, cuchillas de torno, limas, etc. En ULMA Forged Solutions
fabricamos bridas de diferentes materiales y diferentes tipos de acero como el acero al
carbono o el inoxidable entre otros.
Propiedades mecánicas del acero
Las propiedades mecánicas del acero son unas de las que más caracterizan y definen a este
material. El acero es una aleación metálica constituida, esencialmente, por hierro y carbono,
lo que lo convierte en uno de los mayores aliados para la construcción de puentes, edificios o
grandes estructuras metálicas.
1. Plasticidad. El acero es un material muy duro y resistente, pero también es
muy maleable. Esto significa que puede ser moldeado y formado en una amplia
variedad de formas sin romperse. Es esta propiedad única la que lo hace ideal para la
fabricación de muchos objetos, tales como puentes y rieles. La plasticidad es una de
las principales propiedades mecánicas de este material, permitiéndole, también, ser
utilizado en la construcción de edificios y estructuras.
2. Resistencia. El acero es un material resistente y muy duro, lo que significa que no se
rompe fácilmente en caso de ser cometido a un esfuerzo excesivo.
3. Maleabilidad. Es la capacidad que el acero tiene para ser deformado sin romperse,
lo cual es posible gracias a la presencia del carbono en su composición. La
maleabilidad y la dureza son dos características que se relacionan de forma inversa.
Así, cuanto más duro es un metal, menos maleable es; y viceversa, cuanto más
maleable es un metal, menos duro es.
4. Dureza. El acero es un material muy duro, lo cual significa que presenta una gran
resistencia ante los golpes y los arañazos que puedan darse. Se mide en una escala
conocida con el nombre de “escala Brinell” y varía según el tipo de aleación,
encontrándose, generalmente, entre 120 y 180.
5. Tenacidad. Mecánicamente, el acero es un material muy resistente. Se caracteriza
por su gran capacidad de resistir a la tensión, lo cual le confiere una gran tenacidad. Y
es que, esta se define como la capacidad de resistir a una posible fractura.
Propiedades físicas del acero
Las propiedades físicas del acero son muy importantes de cara a entender tanto la
composición, como la relevancia de dicho material. A continuación, tal y como hemos hecho
en el apartado anterior, mencionaremos y explicaremos en profundidad algunas de las
principales.
1. Propiedades térmicas. El acero es un material muy resistente a las altas
temperaturas. Su punto de fusión es de aproximadamente 1.500ºC, lo que lo
convierte en un material idóneo para la fabricación de objetos que estarán sometidos a
altas temperaturas.
2. Propiedades eléctricas. El acero tiene la capacidad de conducir fácilmente la
electricidad a través de su superficie. Esto es útil en la construcción de cables
eléctricos y otros dispositivos que así lo requieren.
3. Propiedades ópticas. El acero es un material que tiene una alta reflectividad. Las
superficies de los objetos de acero son generalmente lustrosas y brillantes. El acero
también es transparente a los rayos infrarrojos y ultravioleta, por lo que es posible ver
a través de él con una cámara de calor.
4. Propiedades magnéticas. El acero es un material ferromagnético, es decir, atraído
por los imanes.
ACEROS ALEADOS
Los aceros aleados se forman cuando el acero al carbono se combina con cualquier otro
elemento de aleación, en proporciones entre 1% y 50 %. Con esto se mejoran sus propiedades
desde termodinámicas hasta mecánicas.
Los elementos que se usan con mayor frecuencia son el boro, selenio, manganeso, silicio,
plomo, cromo, molibdeno, vanadio, y el níquel. Mientras que los que menos se emplean son el
tungsteno, cerio, titanio, cobalto, aluminio, cobre, niobio y zirconio .
Propiedades de los aceros aleados
Templabilidad del material después de un proceso de tratamiento térmico
Fuerza para soportar cargas sin romperse, abollar, deformar o dañar
Tenacidad para absorber energía y deformarse sin fracturarse
Resistencia al desgaste y la corrosión
Dureza del material a temperaturas muy elevadas y escaladas
Las aleaciones de acero le brindan distintos atributos entre los que destacan las mejoras en
dureza, tenacidad, entre otros. También consiguen un mejor templado, así como mayor
elasticidad, resistencia a la corrosión y a altas temperaturas.
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Tipos de aceros aleados
• Los aceros de baja aleación, tienen un 8 % o menos elementos de aleación. Una de
las aleaciones más habituales es el acero 4140. Un acero de baja aleación con
contenidos de cromo, molibdeno, manganeso. Mientras que los aceros de alta aleación
son superiores al 8 %.
• Es importante conocer las principales diferencias del acero aleado con el acero al
carbono. Este último es la forma básica del acero y se convertirá en aleación al agregar
ciertos elementos.
• En las aplicaciones de este tipo de aceros se destaca que el uso principal de estos
materiales se encuentra en la construcción y en el sector industrial; sin embargo, puede
utilizarse en cualquier tipo de negocio o sector, como eléctrica, de ingeniería,
ferroviario, militar y de defensa.
Aleaciones
En aleación con:
- Aluminio: Actúa como desoxidante para el acero Fundido y produce un Acero de Grano
Fino.
- Azufre: Normalmente es una impureza y se mantiene a un bajo nivel. Sin embargo,
alguna veces se agrega intencionalmente en grandes cantidades (0,06 a 0,30%) para
aumentar la maquinabilidad (habilidad para ser trabajado mediante cortes) de los aceros
de aleación y al carbono.
- Boro: Aumenta la templabilidad (la profundidad a la cual un acero puede ser
endurecido).
- Cromo: Aumenta la profundidad del endurecimiento y mejora la resistencia al desgaste
y corrosión. Su adición origina la formación de diversos carburos de cromo que son muy
duros; sin embargo, el acero resultante es más dúctil que un acero de la misma dureza
producido simplemente al incrementar su contenido de carbono. La adición de cromo
amplía el intervalo crítico de temperatura.
- Cobre:Mejora la resistencia a la corrosión.
- Manganeso: Elemento básico en todos los aceros comerciales; el manganeso se
agrega a todos los aceros como agente de desoxidación y desulfuración, pero si el
contenido de manganeso es superior a 1%, el acero se clasifica como un acero aleado
al manganeso. Además de actuar como desoxidante, neutraliza los efectos nocivos del
azufre, facilitando la laminación, moldeo y otras operaciones de trabajo en caliente.
Aumenta también la penetración de temple y contribuye a su resistencia y dureza.
Reduce el intervalo crítico de temperaturas.
- Molibdeno: Mejora las propiedades del tratamiento térmico. Su aleación con acero
forma carburos y también se disuelve en ferrita hasta cierto punto, de modo que
intensifica su dureza y la tenacidad. El molibdeno abate sustancialmente el punto de
transformación. Debido a este abatimiento, el molibdeno es ideal para optimizar las
propiedades de templabilidad en aceite o en aire. Excepto el carbono, es el que tiene el
mayor efecto endurecedor y un alto grado de tenacidad. Otorga gran dureza y
resistencia a altas temperaturas.
- Níquel: Mejora las propiedades del tratamiento térmico reduciendo la temperatura de
endurecimiento y distorsión al ser templado. La aleación con níquel amplía el nivel
crítico de temperatura, no forma carburos u óxidos. Esto aumenta la resistencia sin
disminuir la ductilidad. El cromo se utiliza con frecuencia junto con el níquel para obtener
-
-
la tenacidad y ductilidad proporcionadas por el níquel, y la resistencia al desgaste y la
dureza que aporta el cromo.
Silicio: Se emplea como desoxidante y actúa como endurecedor en el acero de
aleación. Cuando se adiciona a aceros de muy baja cantidad de carbono, produce un
material frágil con baja pérdida por histéresis y alta permeabilidad magnética. El silicio
se usa principalmente, junto con otros elementos de aleación como manganeso, cromo
y vanadio, para estabilizar los carburos.
Titanio: Se emplea como un desoxidante y para inhibir el crecimiento granular. Aumenta
también la resistencia a altas temperaturas.
Tungsteno: Se emplea en muchos aceros de aleación para herramientas. aún estando
éstas candente o al rojo; les otorga una gran resistencia al desgaste y dureza a altas
temperaturas.
Vanadio: El vanadio es un fuerte desoxidante y promueve un tamaño fino de grano,
mejorando la tenacidad del acero. El acero al vanadio es muy difícil de suavizar por
revenido, por ello se lo utiliza ampliamente en aceros para herramientas. Imparte dureza
y ayuda en la formación de granos de tamaño fino. Aumenta la resistencia al impacto
(resistencia a las fracturas por impacto) y a la fatiga.
tabla de propiedades de baja aleacion de los aceros
Normas que regulan la calidad del acero:
Norma SAE
Las normas SAE, posee este nombre por la autoridad que creó este sistema. La Society of
Automotive Engineers es una organización que busca la movilidad y estandarización de los
profesionales. Esta sociedad de ingenieros está presente en diferentes industrias.
Algunas de las más fundamentales son la ingeniería espacial, automotriz y otras industrias
comerciales que estén especializadas en la fabricación de vehículos.
Se trata de un sistema de identificación de 4 o 5 dígitos. Esta se basa en la composición
química del acero. Este código ayuda a interpretar e identificar los elementos presentes en la
aleación. En otras palabras, estandariza el acero en todo el mundo.
Esta clasificación ayuda a optimizar la producción que se necesita en las industrias para
aleaciones específicas. Es normal que por ser una clasificación definida por ingenieros
automotrices, uno se tope con otros insumos que utilizan el mismo sistema, pero con
composiciones diferentes, como el caso de los aceites automotrices.
Para interpretar las normas SAE debemos prestar atención a un formato similar a este:
ABXXX o ABXXX o solo números. Los dos primeros dígitos identifican los elementos de las
aleaciones principales y sus contenidos. Mientras que, los otros dos o tres dígitos, indican los
centésimos de porcentaje de C (carbono) en el metal.
La cantidad de carbono puede oscilar entre 0.05% de C y 0.95%. Sin embargo, usamos tres
dígitos de acuerdo a la norma de redondeo de la ABNT o la Asociación Brasileña de Normas
Técnicas. Esta sociedad establece dos números después de la coma.
Para identificar los otros elementos en el acero, podemos ver la clasificación por cifras
decimales en esta lista:
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AB = 10 – Acero al carbono simple
AB = 20 – Acero – Níquel
AB = 30 – Acero – Níquel – Cromo
AB = 40 – Acero – Molibdeno
AB = 50 – Acero – Cromo
AB = 60 – Acero – Cromo – Vanadio
AB = 70 – Acero – Cromo – Tungsteno
AB = 80 – Acero – Níquel – Cromo – Molibdeno
AB = 92 – Acero – Silicio – Manganeso
AB = 93,94,97 y 98 – Acero – Níquel – Cromo – Molibdeno
SAE clasifica los aceros en: al carbono, de media aleación, aleados, inoxidables, de alta
resistencia, de herramientas, etc.
Aceros al carbono
1- Aceros de muy bajo % de carbono (desde SAE 1005 a 1015) Se seleccionan en piezas
cuyo requisito primario es el conformado en frío. Los aceros no calmados se utilizan
para embutidos profundos por sus buenas cualidades de deformación y terminación
superficial. Los calmados son más utilizados cuando se necesita forjarlos o llevan
tratamientos térmicos. Son adecuados para soldadura y para brazing. Su
maquinabilidad se mejora mediante el estirado en frío. Son susceptibles al crecimiento
del grano, y a fragilidad y rugosidad superficial si después del formado en frío se los
calienta por encima de 600ºC.
2- Aceros de bajo % de carbono (desde SAE 1016 a 1030) Este grupo tiene mayor
resistencia y dureza, disminuyendo su deformabilidad. Son los comúnmente llamados
aceros de cementación. Los calmados se utilizan para forjas. Su respuesta al temple
depende del % de C y Mn; los de mayor contenido tienen mayor respuesta de núcleo.
Los de más alto % de Mn, se endurecen más convenientemente en el núcleo y en la
capa. Son aptos para soldadura y brazing. La maquinabilidad de estos aceros mejora
con el forjado o normalizado, y disminuye con el recocido.
3- Aceros de medio % de carbono (desde SAE 1035 a 1053) Estos aceros son
seleccionados en usos donde se necesitan propiedades mecánicas más elevadas y
frecuentemente llevan tratamiento térmico de endurecimiento. Se utilizan en amplia
variedad de piezas sometidas a cargas dinámicas. El contenido de C y Mn, depende de
una serie de factores. Por ejemplo, cuando se desea incrementar las propiedades
mecánicas, la sección o la templabilidad, normalmente se incrementa el % de C, de Mn
o de ambos. Los de menor % de carbono se utilizan para piezas deformadas en frío,
aunque los estampados se encuentran limitados a plaqueados o doblados suaves, y
generalmente llevan un recocido o normalizado previo. Todos estos aceros se pueden
aplicar para fabricar piezas forjadas y su selección depende del tamaño y propiedades
mecánicas después del tratamiento térmico. Los de mayor % de C, deben ser
normalizados después de forjados para mejorar su maquinabilidad. Son también
ampliamente usados para piezas maquinadas, partiendo de barras laminadas.
Dependiendo del nivel de propiedades necesarias, pueden ser o no tratadas
térmicamente. 2 Pueden soldarse pero deben tenerse precauciones especiales para
evitar fisuras debido al rápido calentamiento y enfriamiento.
4- Aceros de alto % de carbono (desde SAE 1055 a 1095) Se usan en aplicaciones en las
que es necesario incrementar la resistencia al desgaste y altas durezas que no pueden
lograrse con aceros de menor contenido de C. En general no se utilizan trabajados en
frío, salvo plaqueados o el enrollado de resortes. Prácticamente todas las piezas son
tratadas térmicamente antes de usar, debiéndose tener especial cuidado en estos
procesos para evitar distorsiones y fisuras.
Normas AISI.
AISI es el Instituto Americano del Hierro y Acero, conocido por sus siglas en Inglés American
Iron and Steel Institute. Es la autoridad encargada de la designación y clasificación de los
aceros inoxidables.
Fue fundada en 1855 para promover los intereses del comercio del acero en todas sus
ramas. Desde tomar el control de calidad en las producciones de acero y brindándoles
valores para identificarlos, hasta conseguir que la producción sea segura y respetuosa con el
medio ambiente.
También, es fundamental mencionar a la organización SAE Sociedad de Ingenieros
Automotores, por sus siglas en inglés Society of Automotive Engineers. Que conforma la
norma AISI-SAE para la clasificación de los aceros y de materiales no ferrosos.
En 1912, la SAE estableció la nomenclatura y composición de los aceros, y posteriormente la
AISI lo extendió.
Se utiliza como una clasificación de los aceros inoxidables en las industrias, dependiendo de
su aleación y componentes, distinguiéndose por utilizar un código de 3 dígitos con una o más
letras.
El primer número se refiere al tipo de acero que se emplea, en el caso de los aceros al
carbono el primer dígito es 1. También pueden incluirse prefijos, donde la “M” indica calidad
corriente, “E” indica horno eléctrico, “H” indica endurecible.
Es de acuerdo a este valor que pueden ser reconocidos en el mercado y que sea posible
elegir el tipo de acero adecuado para cada proyecto. Tomando en cuenta las propiedades y
características de los aceros como son la templabilidad, ductilidad, maquinabilidad y dureza.
Clasificación de AISI
El tipo 430 es el acero inoxidable más popular, además de ser fácil de formar, tiene una
buena resistencia a la corrosión. Es de bajo contenido de carbono, contiene de 16 a 18% de
cromo y un máximo de 0,12% de carbono. Se utiliza en materiales de construcción,
molduras de automóviles, equipos químicos, e incluso en adornos arquitectónicos para
interiores, entre otros.
El tipo 304 es conocido como acero inoxidable para todo propósito, por ser de alta calidad,
moldeable y con una mayor resistencia a la corrosión. Es una aleación de hierro con un 18%
de cromo y un 8% de níquel. Se emplea en equipos de cocina y hornos, al igual que en
utensilios y elementos para la cocción de alimentos.
El tipo 1010 es de bajo contenido de carbono con un porcentaje de un 0,08% a 0,13%
y hierro. Es un acero estructural que tiene alta ductilidad y excelente soldabilidad, se
aplica para la formación primaria en productos forjados.
Es importante mencionar que la norma AISI-SAE reconoce nueve tipos de clasificación de los
aceros, identificados con un dígito del 1 al 9. El primero indica el tipo de aleación base, el
número posterior implica el elemento con el que se fusiona y los dos últimos determinan la
cantidad de carbono que contiene el metal. Los números del primer dígito pueden ser lo
siguiente:
• 1 carbono
• 2 níquel
3 níquel-cromo
4 molibdeno
5 cromo
6 cromo-vanadio
7 tungsteno-cobalto
8 níquel-cromo-molibdeno
9 manganeso-silicio
Las normas AISI (American Iron and Steel Institute) son un conjunto de estándares utilizados
en la fabricación de acero y aleaciones de acero en los Estados Unidos. Algunas de las
normas AISI más comunes son:
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1. AISI 1018: Esta norma describe un tipo de acero de bajo contenido de carbono que se
utiliza en una amplia variedad de aplicaciones, como piezas de maquinaria, tornillos,
pernos, engranajes y otras piezas de precisión.
2. AISI 4140: Esta norma describe un tipo de acero aleado que se utiliza en aplicaciones
de alta resistencia, como la fabricación de ejes, engranajes, tuberías y piezas
estructurales.
3. AISI 304: Esta norma describe un tipo de acero inoxidable austenítico que se utiliza en
una amplia variedad de aplicaciones, como la fabricación de utensilios de cocina,
piezas de maquinaria y equipos médicos.
4. AISI 316: Esta norma describe otro tipo de acero inoxidable austenítico que se utiliza
en aplicaciones donde se requiere una mayor resistencia a la corrosión, como la
fabricación de equipos marinos, piezas de aviación y equipos médicos.
Las normas AISI son ampliamente reconocidas en todo el mundo y se utilizan como
referencia en la fabricación de acero y aleaciones de acero.
Propiedades y aplicaciones de las aleaciones de: aluminio, cobre,
berilio,niquel, cobalto y titanio.
➢ Alumionio : El aluminio y sus aleaciones destacan por dos propiedades
principalmente, su baja densidad y excelente resistencia a la corrosión. Estas
características han impulsado su empleo en aplicaciones donde el peso es un factor
determinante, como ocurre en la industria del transporte. El empleo de aluminio en
esta industria se remonta a 1899 cuando Karl Benz presentó el primer coche deportivo
con el chasis fabricado en aluminio; simultáneamente Zeppelin trabajaba en la
construcción del primer dirigible rígido utilizando el mismo material en el marco de la
estructura. Sin embargo, las propiedades mecánicas del aluminio puro no cumplen las
exigencias requeridas en aplicaciones estructurales, por esta razón su
industrialización no tuvo lugar hasta 1930 con el diseño de aleaciones base aluminio.
La incorporación de elementos aleantes permite aumentar considerablemente las
propiedades mecánicas, ampliando así su rango de aplicabilidad.
Habitualmente, las aleaciones de aluminio se clasifican en base al proceso de fabricación.
Las aleaciones de forja presentan una elevada resistencia mecánica, lo que las hace aptas
para su empleo en aeronaútica, entre ellas destacan las series 2xxx (Al-Cu) y 7xxx (Al-Zn).
En cuanto a las aleaciones de moldeo, destacan las de la serie 3xx.x (Al-Si) debido a su
excelente moldeabilidad y resistencia a la corrosión y las de la serie 2xx.x (Al-Cu) por sus
buenas propiedades mecánicas. A modo de ejemplo, hoy en día un vehículo contiene de
media 150 kg de Al en su estructura fabricados, en su mayoría, por moldeo y se estima que
en el año 2025 la cantidad de Al empleada ascenderá a 204 kg.
Además de en transporte, las aleaciones de aluminio también se emplean en la industria de
la consturcción, en la fabricación de cubiertas y fachadas metálicas de edificios industriales;
en la industria eléctica, en el cableado de lineas de comunicación, en transformadores o
condensadores y, por último, en la industria alimentaria en la fabricación de envases y
embalajes.
➢ Cobre: Las aleaciones de cobre son aleaciones a base de cobre, en las que los
principales elementos de aleación son Zn, Sn, Si, Al, Ni. Las aleaciones a base de
Cu constituyen principalmente soluciones sólidas de sustitución, para las cuales los
átomos de soluto o impureza reemplazan o sustituyen a los átomos
del huésped. Varias características de los átomos del soluto y del solvente
determinan el grado en que el primero se disuelve en el segundo. Estos se
expresan como las reglas de Hume-Rothery.
Hay hasta 400 composiciones diferentes de cobre
y aleaciones de cobre.agrupados libremente en las
categorías: cobre, aleación con alto contenido de
cobre, latón, bronces, níquel de cobre, cobre-níquelzinc (níquel-plata), cobre con plomo y aleaciones
especiales. Además, se puede reforzar un número
limitado de aleaciones de cobre mediante tratamiento
térmico. en consecuencia, se debe utilizar el trabajo
en frío y / o la aleación en solución sólida para
mejorar estas propiedades mecánicas.
Propiedades mecánicas de las aleaciones de cobre
Los materiales se eligen con frecuencia para diversas aplicaciones porque tienen
combinaciones deseables de características mecánicas. Para aplicaciones estructurales, las
propiedades de los materiales son cruciales y los ingenieros deben tenerlas en cuenta.
Resistencia de las aleaciones de cobre
En mecánica de materiales, la resistencia de un material es su capacidad para soportar
una carga aplicada sin fallas ni deformaciones plásticas. La resistencia de los
materiales básicamente considera la relación entre las cargas externas aplicadas a un
material y la deformación resultante o cambio en las dimensiones del material. La
resistencia de un material es su capacidad para soportar esta carga aplicada sin fallas ni
deformaciones plásticas.
Resistencia a la tracción
La máxima resistencia a la tracción del cobre de brea tenaz electrolítica (ETP) es de
aproximadamente 250 MPa
Límite de elasticidad
La resistencia a la prueba del cobre de brea tenaz electrolítica (ETP) se encuentra entre 60
y 300 MPa.
Dureza de las aleaciones de cobre
La dureza Vickers del cobre de brea tenaz electrolítica (ETP) depende en gran medida del
temple del material, pero está entre 50 y 150 HV.
Punto de fusión de las aleaciones de cobre
El punto de fusión del cobre de brea tenaz electrolítica (ETP) es de alrededor de 1085°C.
Conductividad térmica de las aleaciones de cobre
La conductividad térmica del cobre de brea tenaz electrolítica (ETP) es 394 W/(mK).
➢ Berilio: el berilio es un metal ligero y rígido que se encuentra en la naturaleza en
forma de minerales cómo la bertrandita y la crisoberilo las alecciones de berilio son
compuestos metálicos que contiene berilio junto con otros metales, generalmente
cobre níquel y aluminio algunas de las aleaciones de berilio más comunes son:
1.
cobre berilio. esta aleación también
conocida como cb se compone de cobre 98% y
berilio 2% es una aleación de alta resistencia
dureza que se utiliza en aplicaciones
aeroespaciales, electrónicas y de defensa.
2.
Berilio-níquel. esta aleción contiene
aproximadamente un 60% de berilio y un 40%
de níquel es una aleacion de alta resistencia y
de dureza que se utiliza en aplicaciones aeroespaciales militares y de alta
tecnología.
3. berilio -cobre -aluminio. esta aleción contiene aproximadamente 1,8 de berilio,
0,5 de aluminio y resto de cobre, es una relación de resistencia dureza y
conductividad térmica la que hace adecuada para sus aplicaciones espaciales y
electrónicas.
4. Berilio- aluminio. esta aleción contiene aproximadamente un 60% de berilio y
40% de aluminio es una aleción de resistencia y ligereza, lo que hace adecuada
para sus aplicaciones espaciales y militares.
➢ Niquel: Las aleaciones de níquel son la mezcla de níquel y otros metales como hierro,
cobre, cromo, plomo, aluminio, plata, oro, cobalto y otros elementos. Las aleaciones de
níquel tienen varias propiedades, como resistencia al calor, resistencia eléctrica,
tenacidad, resistencia a bajas y altas temperaturas, resistencia a la corrosión y
propiedades electrónicas y magnéticas especiales.
Usos en la industria
Se utilizan en la industria automotriz para motores, generadores, elementos de calefacción,
turbocompresores, engranajes, válvulas de escape, líneas de líquido de frenos, camisas de
cilindros, pistones, limpiadores, silenciadores, catalizadores y abrazaderas. Son ampliamente
utilizados en aviones para la fabricación de sistemas de escape, álabes, bombas hidráulicas
y otros componentes. Las aleaciones de níquel también se utilizan en turbinas de generación
de energía, cierres marinos y electrónica.
➢ Cobalto: la aleación de cobalto se utiliza como un elemento de aleación
proporcionado. Esto se debe no solo a su alta resistencia a la corrosión sino también a
sus altas propiedades magnéticas. La aleación de cobalto es una aleación bastante
difícil de fabricar, situación que se debe justamente a su enorme resistencia al
desgaste. Las aleaciones de cobalto son materiales que se emplean con normalidad
para la fabricación de estructuras o zonas industriales que soportan un desgaste
crítico, como podría ser la estructura de la cámara de combustión de las turbinas de
gas. Otra de las propiedades por las que destacan las aleaciones de cobalto son sus
múltiples propiedades mecánicas a altas temperaturas. Además, también se utiliza
para aumentar la ductilidad a grandes temperaturas.
Aplicaciones más extendidas: Es fácil encontrar este
tipo de aleaciones de cobalto en los siguientes
campos: Industrias de procesos químicos,
superaleaciones e imanes permanentes , industrias
marinas, industrias aeronáuticas, turbinas de gas
industrial
Los usos típicos incluyen dientes para sierras,
revestimiento en duro, y piezas de maquinaria
resistentes a ácidos. También para la producción de asientos de válvula y en válvulas de
motores de combustión interna reduciendo el desgaste en ellos.
➢ Titanio: Las aleaciones de titanio son metales que contienen una mezcla de titanio y
otros elementos químicos. Estas aleaciones tienen una resistencia a la tracción y una
tenacidad muy altas (incluso a temperaturas extremas). Son livianos, tienen
una extraordinaria resistencia a la corrosión y la capacidad de soportar
temperaturas extremas.
Las dos propiedades más útiles del metal son
la resistencia a la corrosión y la
relación fuerza-densidad, la más alta de
cualquier elemento metálico. La resistencia a la
corrosión de las aleaciones de titanio a
temperaturas normales es inusualmente
alta. Estas propiedades determinan la aplicación
del titanio y sus aleaciones. La primera
aplicación de producción de titanio fue en 1952,
para las góndolas y cortafuegos del avión Douglas DC-7. Alta resistencia específica, buena
resistencia a la fatiga y vida útil a la fluencia, y buena tenacidad a la fractura son
características que hacen que el titanio sea un metal preferido para aplicaciones
aeroespaciales. Las aplicaciones aeroespaciales, incluido el uso en componentes
estructurales (fuselajes) y motores a reacción, siguen representando la mayor parte del uso
de aleaciones de titanio. Sobre elavión supersónico SR-71, se utilizó titanio para el 85% de
la estructura. Debido a su muy alta inercia, el titanio tiene muchas aplicaciones biomédicas,
las cuales se basan en su inercia en el cuerpo humano, es decir, la resistencia a la corrosión
por los fluidos corporales
Existen varios tipos de aleaciones de titanio, cada una con propiedades y características
únicas. Algunos ejemplos comunes incluyen:
Ti-6Al-4V: Esta es una aleación de titanio muy común que contiene 6% de aluminio y 4% de
vanadio. Tiene una excelente resistencia a la corrosión y a la fatiga, y se utiliza en
aplicaciones aeroespaciales, médicas e industriales.
Ti-3Al-2.5V: Esta es otra aleación de titanio común que contiene 3% de aluminio y 2,5% de
vanadio. Es conocida por su alta resistencia a la corrosión y se utiliza en aplicaciones
aeroespaciales y médicas.
Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo: Esta aleación contiene 6% de aluminio, 2% de estaño, 4% de circonio y
2% de molibdeno. Es conocida por su alta resistencia a la corrosión y a la fatiga, y se utiliza
en aplicaciones aeroespaciales.
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