PROPIEDADES DE MATERIALESNO FERROSOS Y SUS ALEACIONES

Metales no Ferrosos

Por lo regular tienen menor resistencia a la tensión y dureza que los metales ferrosos, sin embargo su resistencia a la corrosión es superior. Su costo es alto en comparación a los materiales ferrosos pero con el aumento de su demanda y las nuevas técnicas de extracción y refinamiento se han logrado abatir considerablemente los costos, con lo que su competitividad ha crecido notablemente en los últimos años.

Los principales metales no ferrosos utilizados en la manufactura son (entre otros): Cobre – bronces - latón Aluminio y sus aleaciones Zinc Níquel Estaño Plomo Titanio

Los metales no ferrosos son utilizados en la manufactura como elementos complementarios de los metales ferrosos, son muy útiles como materiales puros o aleados los que por sus propiedades físicas y

de ingeniería cubren determinadas exigencias o condiciones de trabajo, por ejemplo el bronce (cobre, plomo, estaño) y el latón (cobre zinc).

Características más comunes: Densidad : relación masa/volumen. Una mayor densidad, indica que dos cuerpos de igual

tamaño, el de mayor densidad es más pesado. Se mide en gr/cm3.

Punto de fusión : temperatura a la que se funde el metal (pasa de sólido a líquido).

Conductividad : capacidad de conducir (transportar) de mejor manera alguna forma de energía.

Para poder comparar:Acero punto de fusión: 1.400 ºC densidad: 7,85 g/cm3Oro punto de fusión: 1.064 ºC densidad: 15,58 g/cm3 (18 kilates)

COBRE

CARACTERÍSTICAS

Elemento metálico de color rojo pardo, brillante, maleable y dúctil. Más pesado que el níquel y más duro que el oro y la plata. Símbolo químico: Cu. Punto de fusión, 1.083º C. Densidad, 8,94 Muy buen conductor de la electricidad y el calor. Presenta un alto grado de acritud (se vuelve quebradizo si es sometido a martilleo). Posee gran resistencia a la corrosión atmosférica.

HISTORIA

El cobre, que se encuentra en estado natural, fue el primer metal utilizado. En el Alto Egipto se han encontrado perlas de cobre en estaciones ocupadas durante la

primera mitad del quinto milenio.

En el cuarto milenio, los egipcios utilizaron el cobre habitualmente, se han encontrado hojas de puñal, hachas, arpones y vasos de cobre en varias tumbas reales.

Posteriormente fue extendiéndose a otras regiones: Mesopotamia, Irán e India. En Mesopotamia se han encontrado cascos de cobre en las tumbas sumerias de entre los

años 3500 y 3100. Hacia el año 3000 la utilización del cobre apareció en Creta, en las islas del mar Egeo y en

China. Finalmente en el tercer milenio el uso del cobre se extendió a Europa, a partir del Oriente

Próximo. Durante el mismo milenio fue descubierto el bronce (aleación de cobre y zinc). Apareció hacia

el 2800 en Egipto, Mesopotamia, Irán y la India. Hasta alrededor del año 2000 no aparece en Europa y en China.

Como consecuencia del desarrollo de la metalurgia, en las regiones con antiguas civilizaciones se abandonó el sílex (piedra tipo cuarzo – pedernal) hacia el segundo milenio.

En América apareció primero el uso del oro y de la plata y más tarde, en el período que va de los siglos VI al IX de nuestra era, empezó a usarse el bronce.

NOTA:El bronce es el nombre con el que se denominan toda una serie de aleaciones metálicas que tienen como base el cobre y proporciones variables de otros elementos como estaño, zinc, aluminio, antimonio, fósforo, y otros con objeto de obtener unas características de dureza superior al cobre.

Fue la primera aleación fabricada conscientemente: consistía en mezclar el mineral de cobre y el de estaño en un horno alimentado con carbón vegetal. El anhídrido carbónico resultante reducía los minerales a metales: Cobre y Estaño que se fundían y aleaban entre un 5 y un 10% en peso de estaño.

De bronce fueron las primeras armas y herramientas; también se utilizó como soporte para la escritura y para fabricar estatuas.

Bujes de bronce Candados de bronce

ESTADO NATURAL

El cobre se encuentra en estado nativo, aunque a menudo, contiene pequeños porcentajes de plata, bismuto y plomo. También aparece combinado con el oxígeno (formando el óxido cuproso y cúprico). Quizá los minerales de cobre más conocidos son los sulfuros mixtos de hierro y cobre, como la calcopirita o pirita de cobre, y el sulfuro. También se encuentra en la malaquita y en la azuforita.

El cobre constituye el 0,007 % de la litosfera; sin embargo, es un metal de uso muy importante.ALEACIONES

El cobre tiene numerosas aleaciones, las más conocidas son el latón y el bronce. El latón se consigue aleando el cobre con el zinc, se hace en diferentes proporciones

dependiendo del uso posterior. Esta aleación se utiliza en orfebrería, en grifería, válvulas, piezas de contadores, etc.

El bronce es una aleación de cobre y estaño en diferentes proporciones. Se utiliza para fabricar alambres y elementos de bisutería, medallas, piezas metálicas, de grifería, campanas, etc.

Existen bronces especiales con plomo y aluminio. También hay aleaciones de cobre y níquel con los que se fabrican calderas, monedas, material

de cocina, etc. Las aleaciones de cobre, níquel y zinc son muy maleables e inalterables y son de color amarillo

claro. Se utilizan para bisutería, vajillas, cubiertos, etc., y reciben diversos nombres: Ruolz, Platinoide, Alpaca, Argentán.

Con estas aleaciones se consiguen materiales dúctiles y maleables (latones), buena conductividad eléctrica, resistencia a ciertas corrosiones, sonoridad (bronces de campana), color (monedas y objetos decorativos). Por estos motivos el cobre es tan utilizado.

USOS Los usos del cobre, tanto industriales como domésticos, están condicionados por algunas de

sus propiedades. Su elevada conductividad eléctrica permite su empleo en aplicaciones eléctricas: cables, hilos,

piezas varias de aparatos eléctricos, etc. Su ductilidad permite transformarlo en cables de cualquier diámetro, a partir de 0,025 mm. La resistencia a la tracción del alambre de cobre estirado es de unos 4.200 kg/cm2.

Su elevada conductividad térmica, siendo el segundo mejor, después de la plata, conduciendo el calor y la electricidad, permite su utilización en utensilios domésticos (cacerolas, calderos), en la industria de la alimentación y química (alambiques) y en las aplicaciones de equipos térmicos (intercambiadores, depósitos, refrigeradores, radiadores).

La facilidad con que se trabaja lo hace muy buscado, tanto para embutición como para la unión por autosoldadura o por soldadura con estaño.

Su resistencia a la corrosión atmosférica normal, debida a la formación de una capa protectora impermeable a base de carbonato básico de cobre (cardenillo) hace que se utilice para recubrimientos de techumbres o en canalizaciones de agua.

Aplicaciones del cobre en el área automotriz

El cobre ha sido desde siempre el metal elegido para radiadores de coches y camiones, aunque el aluminio ha asumido una significativa cuota de mercado en el equipamiento original de radiadores en los últimos 20 años. En los años 70, la industria del automóvil comenzó un cambio del cobre/latón al aluminio para los radiadores de coches y camiones porque era más ligero y la percepción de un mercado estable le dio a este metal una ventaja comparativa. Hoy en día el cobre está presente en el 39 % del total de radiadores en el mercado.

Cables eléctricos del automóvil

Aplicaciones del latón en el área automotriz:

En el área de Automoción: Termostatos, guías de válvula, casquillos, conexiones y una variedad de piezas menores en conjuntos y subconjuntos mecánicos, eléctricos y electrónicos.

El metal ideal en la fabricación de radiadores es el cobre por su facilidad de transmitir calor, pero por razones económicas, se emplea el latón.

ALUMINIO

HISTORIA

El químico danés Hans Christian Oersted aisló el aluminio por primera vez en 1825, por medio de un proceso químico que utilizaba una amalgama de potasio y cloruro de aluminio.

Entre 1827 y 1845, el químico alemán Friedrich Wöhler mejoró el proceso de Oersted utilizando potasio metálico y cloruro de aluminio. Wöhler fue el primero en medir la densidad del aluminio y demostrar su ligereza.

En 1854, Henri Sainte-Claire Deville obtuvo el metal en Francia reduciendo cloruro de aluminio con sodio. Con el apoyo financiero de Napoleón III, Deville estableció una planta experimental a gran escala y en la exposición de París de 1855 exhibió el aluminio puro.

Características• El aluminio es un metal plateado muy ligero. • Su masa atómica es 26,9815; tiene

• un punto de fusión de 660 ºC, • un punto de ebullición de 2.467 ºC y • una densidad relativa de 2,7.

Es un metal muy electropositivo y extremamente reactivo. Al contacto con el aire se cubre rápidamente con una capa dura y transparente de óxido de

aluminio que resiste la posterior acción corrosiva. Por esta razón, los materiales hechos de aluminio no se oxidan. El metal reduce muchos compuestos metálicos a sus metales básicos. Por ejemplo, al calentar

termita (una mezcla de óxido de hierro en polvo y aluminio), el aluminio extrae rápidamente el oxígeno del hierro; el calor de la reacción es suficiente para fundir el hierro. Este fenómeno se usa en el proceso Goldschmidt o Termita para soldar hierro.

Entre los compuestos más importantes están el óxido, el hidróxido, el sulfato y el sulfato mixto. El óxido de aluminio es anfótero, es decir, presenta a la vez propiedades ácidas y básicas. El cloruro de aluminio anhidro es importante en la industria petrolífera. Muchas gemas (el rubí y el zafiro, por ejemplo) consisten principalmente en óxido de aluminio cristalino.

• Aluminio: símbolo Al, • es el elemento metálico más abundante en la corteza terrestre. • Su número atómico es 13 y • está en el grupo 13 (IIIA) de la tabla periódica.

¿Donde se encuentra? El aluminio es el elemento metálico más abundante en la corteza terrestre. Sólo los no metales oxígeno y silicio son más abundantes. Se encuentra normalmente en forma de silicato de aluminio puro o mezclado con otros metales

como sodio, potasio, hierro, calcio y magnesio, pero nunca como metal libre. Los silicatos no son menos útiles, porque es extremamente difícil, y por tanto muy caro, extraer

el aluminio de ellas. La bauxita, un óxido de aluminio hidratado impuro, es la fuente comercial de aluminio y de sus

compuestos.

Características físicas: Un volumen dado de aluminio pesa menos que 1/3 del mismo volumen de acero. Los únicos metales más ligeros son el litio, el berilio y el magnesio. Debido a su elevada proporción resistencia-peso es muy útil para construir aviones, vagones

ferroviarios y automóviles, y para otras aplicaciones en las que es importante la movilidad y la conservación de energía.

Por su elevada conductividad del calor, el aluminio se emplea en utensilios de cocina y en pistones de motores de combustión interna.

Solamente presenta un 63% de la conductividad eléctrica del cobre para alambres de un tamaño dado, pero pesa menos de la mitad.

Un alambre de aluminio de conductividad comparable a un alambre de cobre es más grueso, pero sigue siendo más ligero que el de cobre.

El peso tiene mucha importancia en la transmisión de electricidad de alto voltaje a larga distancia, y actualmente se usan conductores de aluminio para transmitir electricidad de 700.000 voltios o más.

¿Como se obtiene? En 1886 Charles Martin Hall en los Estados Unidos y Paul L. T. Héroult en Francia

descubrieron por separado y casi simultáneamente que el óxido de aluminio o alúmina se disuelve en criolita fundida (Na3AlF6), pudiendo ser descompuesta electrolíticamente para obtener el metal fundido en bruto.

El proceso Hall-Héroult sigue siendo el método principal para la producción comercial de aluminio, aunque se están estudiando nuevos métodos.

La pureza del producto se ha incrementado hasta un 99,5% de aluminio puro en un lingote comercialmente puro; posteriormente puede ser refinado hasta un 99,99 por ciento.

La producción mundial de aluminio ha experimentado un rápido crecimiento, aunque se estabilizó a partir de 1980.

En 1900 esta producción era de 7.300 toneladas, en 1938 de 598.000 toneladas y en 1993 la producción estimada de aluminio primario era de unos 19 millones de toneladas.

Los principales países productores son Estados Unidos, la antigua URSS, Canadá, China y Australia.

Principales usos El metal es cada vez más importante en arquitectura, tanto con propósitos estructurales como

ornamentales. Las tablas, las contraventanas y las láminas de aluminio constituyen excelentes aislantes. El metal se utiliza también en reactores nucleares a baja temperatura porque absorbe

relativamente pocos neutrones. Con el frío, el aluminio se hace más resistente, por lo que se usa a temperaturas criogénicas. El papel de aluminio de 0,018 cm de espesor, actualmente muy utilizado en usos domésticos,

protege los alimentos y otros productos perecederos. Debido a su poco peso, a que se moldea fácilmente y a su compatibilidad con comidas y

bebidas, el aluminio se usa mucho en contenedores, envoltorios flexibles, y botellas y latas de fácil apertura.

El reciclado de dichos recipientes es una medida de conservación de la energía cada vez más importante.

La resistencia a la corrosión al agua del mar del aluminio también lo hace útil para fabricar cascos de barco y otros mecanismos acuáticos.

Puede prepararse una amplia gama de aleaciones recubridoras y aleaciones forjadas que proporcionen al metal más fuerza y resistencia a la corrosión o a las temperaturas elevadas.

Algunas de las nuevas aleaciones pueden utilizarse como planchas de blindaje para tanques y otros vehículos militares.

DerivadosOxido de aluminio o Alúmina, Al2O3, óxido que se encuentra en la naturaleza en los minerales corindón, Al2O3; diásporo,

Al2O3·H2O; gibbsita, Al2O3·3H2O, y más frecuentemente en la bauxita, una forma impura de la gibbsita. Es el único óxido formado por el aluminio metal.

Las piedras preciosas rubí y zafiro están compuestas por corindón coloreado por pequeñas impurezas.

El óxido de aluminio fundido y vuelto a cristalizar es idéntico en sus propiedades químicas y físicas al corindón natural.

Sólo le superan en dureza el diamante y algunas sustancias sintéticas, concretamente el carborundo o carburo de silicio.

Tanto el corindón natural impuro (esmeril), como el corindón artificial puro (alundo) se utilizan como abrasivos.

A temperatura ordinaria, el óxido de aluminio es insoluble en todos los reactivos químicos comunes.

Debido a su alto punto de fusión, ligeramente superior a los 2.000 °C, se utiliza como material refractario, por ejemplo, para revestir hornos especiales.

El óxido de aluminio hidratado es fácilmente soluble en ácidos o álcalis y se usa como materia prima en los procesos de fabricación de todos los compuestos de aluminio.

Principales aleaciones de aluminio: Las propiedades del aluminio dependen de un conjunto de factores, de estos, el más

importante es la existencia de aleantes. Con la excepción del aluminio purísimo ( 99,99 % de pureza ), técnicamente se utilizan sólo materiales de aluminio que contienen otros elementos. Aún en el aluminio purísimo, las impurezas ( Fe y Si ) determinan, en gran medida, sus propiedades mecánicas.

Los elementos aleantes principales del aluminio son: cobre (Cu), silicio (si), magnesio (Mg), zinc (Zn) y manganeso (Mn):

En menores cantidades existen, frecuentemente, como impurezas o aditivos: hierro (Fe), cromo (Cr) y titanio (Ti). Para aleaciones especiales se adiciona: níquel (Ni), cobalto (Co), plata (Ag), litio (Li), vanadio (V), circonio (Zr), estaño (Sn), plomo (Pb), cadmio (Cd) y bismuto (Bi). 

La clasificación del aluminio y sus aleaciones se divide en dos grandes grupos bien diferenciados, estos dos grupos son: forja y fundición. Esta división se debe a los diferentes procesos de conformado que puede sufrir el aluminio y sus aleaciones.

Dentro del grupo de aleaciones de aluminio forjado encontramos otra división clara, que es la del grupo de las tratables térmicamente y las no tratables térmicamente. Las no tratables térmicamente solo pueden ser trabajadas en frío con el fin de aumentar su resistencia.

A continuación aparecen dos cuadros con los grupos básicos para las aleaciones de forja y fundición, además hay unas designaciones para especificar el grado de endurecimiento que no serán comentadas por ser demasiado específicas y no venir al caso en el tema de este trabajo. 

Conviene señalar que, dentro de las aleaciones para forja, los grupos principales de las no tratables térmicamente son : 1xxx, 3xxx y 5xxx.

Dentro de las tratables térmicamente los grupos principales son : 2xxx, 6xxx y 7xxx. En esta ultima división, se encuentran las aleaciones de aluminio con mayores resistencias

mecánicas, los grupos 2xxx y 7xxx, por lo que son las aleaciones más indicadas para este trabajo.

Aplicaciones del aluminio en el área automotriz En forma de placa o lámina se usan en la industria del transporte en carrocerías, tanques o

escaleras; son ideales para la fabricación de carros de ferrocarril o de trenes urbanos y en general para aplicaciones estructurales.

Para el transporte, el aluminio es un elemento ideal gracias a que es ligero, fuerte y es fácil de moldear. El gasto inicial en energía es totalmente recuperable ya que el vehículo ahorrará mucha gasolina y requerirá menor fuerza o potencia para moverse.

El uso de aluminio en las partes que componen a coches y camiones ha aumentado en forma constante en la última década. La utilización de este metal reduce ruido y vibración.

Gracias al aluminio, muchas partes de los vehículos son recicladas Además, el aluminio absorbe energía cinética lo cual evita, que en un accidente, la reciban los pasajeros.

El aluminio no se oxida como el acero; esto significa que los vehículos, en zonas climatológicas de gran humedad tengan una vida más larga. Los autos con cuerpo de aluminio duran tres o cuatro veces más que los que tienen un chasis de acero.