Читать книгу El metal - José Antonio Ares - Страница 7
ОглавлениеMetalurgia física
L a metalurgia estudia el conjunto de procedimientos y técnicas para la obtención de los metales, así como la forma en que se transforman y se elaboran. En los apartados que siguen se repasan temas relacionados con la metalurgia física, es decir, con la rama de la ciencia que estudia las características físicas y mecánicas de los metales y las aleaciones, en especial con los que se trabaja en este libro.
La intención es mencionar y repasar conceptos de uso común en el ámbito del trabajo con metales, entre ellos las propiedades y características de los metales y las aleaciones, o la fabricación de perfiles comerciales a partir de la materia prima. También se dedica un pequeño apartado a la oxidación y a la corrosión, debido a la importancia que tienen tales procesos en el ámbito del metal, aunque no pertenezcan estrictamente a esta rama sino a la metalurgia química. En definitiva, la función de este capítulo es servir únicamente como espacio de repaso y consulta.
Metales y aleaciones
Técnicamente, los metales son elementos con tendencia a ceder electrones. Su estructura es cristalina cúbica o hexagonal, es decir, la forma geométrica que forma el conjunto ordenado de átomos, iones o moléculas de que están compuestos. Su superficie, cuando está pulida, posee un brillo característico; la mayoría son de color gris o grisáceo y blanco, excepto el cobre, que es de un rojo particular y el oro, que es amarillo. Todos son sólidos a temperatura ambiente excepto el mercurio que es líquido. Son buenos conductores de la electricidad y del calor. En general, los metales poseen dos de las cualidades más importantes para un material que debe ser trabajado: la maleabilidad y la ductilidad, ya que permiten modificar su forma sin que se rompan.
Para mejorar otras propiedades de los metales, como la tenacidad y la dureza, se combinan entre sí constituyendo las aleaciones. Éstas pueden ser de sistema binario, es decir, que la combinación de metales consta de dos componentes. Por ejemplo, el acero al carbono, que consta de hierro y carbono. Algunas aleaciones pueden tener hasta siete componentes, como algunos aceros rápidos, compuestos por hierro, cobalto y wolframio, entre otros metales.
Las aleaciones son opacas, de brillo metálico, y buenas conductoras de la electricidad y del calor. Por regla general, son más duras que los metales que las componen pero menos dúctiles y maleables. También ganan en fusibilidad, siendo las aleaciones más fusibles que el menos fusible de los metales que la componen.
Existen dos grupos de metales: los férricos y los no férricos.
Los metales férricos, como su nombre indica, están constituidos por hierro; por ejemplo, el acero al carbono (hierro y carbono), el acero inoxidable (hierro, cromo, níquel, manganeso y silicio), la fundición gris (hierro, carbono y silicio) y la fundición blanca (hierro, carbono y manganeso).
Los metales no férricos son el resto de metales y aleaciones no constituidos por hierro; por ejemplo, el cobre, el latón, el bronce, el aluminio y el cinc, entre otros.
Sistemas de cristalización de los metales: red cúbica, propia del hierro, el cobre o el aluminio (A), red hexagonal, perteneciente al cinc o al cobalto (B).
Dos metales diferentes obtenidos por aleación: la fundición gris compuesta por hierro, carbono y silicio y el bronce, compuesto por cobre, estaño y cinc.
El punto de fusión de las aleaciones es siempre menor que el de cualquiera de los metales que la componen. Esta propiedad se aprovecha para la soldadura blanda cuyo metal de aportación está formado generalmente por una aleación de estaño y plomo al 50 %, fácilmente fusible con un soldador eléctrico o de gas.
Concepto de corrosión
Se entiende por corrosión el paso de forma espontánea de un metal en su estado natural libre a un estado natural combinado mediante un proceso de oxidación. Al exponerlo a condiciones ambientales, el metal tiende a conseguir su estabilización química para volver a su estado anterior combinándose con otros elementos.
La oxidación de los metales es la combinación del metal con el oxígeno del aire. En este proceso se forma una fina capa de óxido sobre la superficie que en muchos casos impide la entrada de más oxígeno, cumpliendo de esta manera una función protectora. Por ejemplo, el aluminio produce una capa de óxido muy compacta que lo protege permanentemente de la corrosión.
La corrosión se produce en ambientes húmedos y constituye un proceso electroquímico. Para que se produzca la corrosión espontáneamente es necesario que coincidan tres factores: el ánodo, el cátodo y el electrolito. Este conjunto se denomina pila galvánica.
El electrolito es una solución acuosa conductora de la corriente eléctrica; por ejemplo, los ambientes marinos. En este medio el ánodo repele los iones positivos mientras que el cátodo los atrae, creándose un intercambio de electrones entre el ánodo y el cátodo. La corrosión se produce en las zonas anódicas, las catódicas permanecen inalteradas.
Los metales anódicos se corroen en presencia de metales catódicos. Por ejemplo, es el caso del acero galvanizado, que es acero al carbono recubierto de una fina capa de cinc; es este último metal, con un potencial negativo superior al del acero, el que sufre los efectos de la corrosión. En cambio, en la hojalata, que es acero al carbono recubierto de una fina capa de estaño, es el acero el que se corroe al ser más electronegativo que el estaño.
Para proteger de la corrosión marina las piezas metálicas de algunas embarcaciones se recurre a los ánodos de sacrificio. Éstos están constituidos por metales más electronegativos que el metal que se debe proteger, para que se produzca la corrosión por el efecto de pila galvánica del metal anódico.
Efecto de pila galvánica. La pieza de hierro del mango ha sufrido un fuerte proceso de corrosión frente a la inalterabilidad de la pieza de cobre.
Esquema del intercambio de electrones en el proceso de oxidación de los metales.
Propiedades de los metales
L os metales poseen una serie de características mecánicas y físicas que los definen. Son las denominadas propiedades de los metales.
Las propiedades físicas hacen referencia al comportamiento del metal en situaciones que afectan a su estructura interna.
La dilatación y contracción es la variación de las dimensiones del metal en función de la temperatura que se le aplica. Al calentar aumentan las dimensiones del metal, se dilata, y al enfriarse disminuyen, se contrae.
Por fusibilidad se entiende la temperatura a la que un metal se vuelve líquido por medio de la absorción de calor.
La conductividad térmica y eléctrica obedece a la capacidad de los metales de permitir la transmisión del calor o la electricidad a través de sus moléculas.
La soldabilidad es la propiedad que permite la unión de los metales por medio de la fusión.
La forjabilidad es la capacidad de deformación plástica del metal en caliente por medio de la percusión o el estampado.
Las propiedades mecánicas son las que determinan el comportamiento de los metales ante esfuerzos y cargas que tienden a cambiar su forma. Por ejemplo:
La maleabilidad es la propiedad que permite modificar la forma del metal sin que se produzcan grietas. Esto permite transformarlos en láminas y perfiles de cualquier clase.
La ductilidad es la propiedad que permite el estirado del metal para formar hilos sin que se produzca su rotura.
La tenacidad es la resistencia a la rotura al someter el metal a cargas de tracción.
La elasticidad es la propiedad que permite a los metales deformarse ante una fuerza y volver a su forma inicial al cesar ésta.
La flexibilidad permite al metal doblarse o curvarse sin que se produzca su rotura.
La resiliencia es la resistencia de los metales a la rotura por la acción del choque o la percusión.
La dureza es la resistencia del metal al desgaste por frotamiento.
Jordi Torras, Salamandra, 1995. Bronce y madera. La fusibilidad permite licuar el metal para obtener objetos por medio de un molde.
Gracias a la maleabilidad se consiguen láminas de metal muy finas, en este caso de estaño.
La ductilidad permite crear hilos de metal muy finos, como es el caso del cobre.
Algunos metales poco flexibles, como este trozo de aluminio, sufren la rotura de fibras ante esfuerzos de doblado.
Descripción de los metales
Acero inoxidable
Es una aleación de hierro, carbono y cromo como elementos principales a los que se puede añadir níquel, molibdeno, titanio o silicio, entre otros, que influyen en las características y propiedades de este acero. Se clasifican en tres grandes grupos: martensíticos, ferríticos y, los más empleados, austeníticos.
Todos son resistentes a la corrosión en contacto con el aire, la humedad o algunos ácidos. Los martensíticos y los ferríticos son magnéticos, es decir, son atraídos por un imán, mientras que los austeníticos no.
Acero al carbono
Es una aleación de hierro y carbono, de color gris, llamada habitualmente hierro. La cantidad de carbono en la aleación determina sus propiedades y características. El más usado es el acero con un contenido en carbono inferior al 1,7 %; cuando éste es superior recibe el nombre de fundición.
El acero al carbono es dúctil y maleable, duro, elástico y tenaz y funde a 1535 °C.
Aluminio
Se trata de un metal ligero de color blanco, muy resistente a la corrosión en contacto con el aire o la humedad. Es un metal relativamente blando muy dúctil, maleable y poco denso, que funde a 660 °C.
Cobre
Metal de color rojizo, muy dúctil y maleable y excelente conductor de la electricidad y del calor. Es muy tenaz y su temperatura de fusión es de 1083 °C.
Latón
Se trata de una aleación de cobre y cinc, de color amarillo. Es duro y tenaz y muy resistente a la corrosión. Funde en un intervalo de fusión de entre 800 y 1025 °C, dependiendo de su composición.
Cinc
Metal de color gris azulado muy resistente a la corrosión en contacto con el aire o la humedad. Es blando, poco elástico y maleable y su temperatura de fusión es de 419 °C.
Estaño
Metal de color blanco brillante muy resistente a la corrosión. Es maleable, flexible, poco dúctil y frágil a temperaturas elevadas. Es un metal denso que funde a 232 °C.
Plomo
Metal de color gris oscuro muy blando y denso que se raya fácilmente. Es tenaz, dúctil, maleable y resistente a la corrosión del ambiente. Funde a 327 °C.
Acero inoxidable (A), Acero al carbono (B), Aluminio (C), Cobre (D), Latón (E), Cinc (F), Estaño (G), Plomo (H).
Fabricación del acero
El hierro es un metal con un porcentaje de carbono inferior al 0,05 %. Aleado en proporción adecuada con carbono se mejoran algunas de sus características, como la dureza o la elasticidad, además se le pueden aplicar tratamientos térmicos como el temple. Es el caso de los aceros. En cambio, si se alea con carbono en proporción superior al 1,7 % se vuelve un material frágil y rompedizo, muy poco dúctil y maleable. Es el caso de la fundición.
El acero es una aleación compuesta básicamente por hierro y carbono. Este último entra en un porcentaje alrededor de un 0,05 % y un 1,7 %. El acero se fabrica a partir del mineral de hierro como la magnetita, el oligisto y los hematites, entre otros.
Escena del libro noveno de De Re Metallica (1556), obra enciclopédica de Georgius Agricola (1494-1555), que representa todos los trabajos en metal del siglo XVI.
Hasta el siglo XIV se producía una variedad de hierro forjado calentando una masa de mineral de hierro y carbón vegetal en un horno al que se le insuflaba aire de forma manual. Se obtenía así una masa esponjosa de hierro y escorias, debido a las impurezas del metal y a las cenizas del carbón vegetal. Esta masa de hierro con impurezas se golpeaba aún incandescente con pesados martillos a fin de extraer de ella las escorias y consolidar el metal. En ocasiones, de una manera fortuita, se obtenía acero por este procedimiento, al absorber el hierro carbono procedente del carbón vegetal.
Posteriormente, se aumentó la altura y el tamaño de los hornos. Este cambio técnico forzó el paso de gases de combustión por la mezcla de materias primas, facilitando la absorción del carbono por el hierro y generando el llamado arrabio. Una vez afinado el arrabio se obtenía el acero.
Colada de hierro en estado líquido en una fundición. El proceso de fabricación y refino del hierro hasta llegar al acero consiste en rebajar el contenido de carbono y otras impurezas. A su vez, según sea su futura utilización, pueden añadirse otros elementos para fabricar aceros que posean características especiales.
Horno de oxígeno básico
A partir del siglo XIX se emplean altos hornos para producir acero. Y con el convertidor Bessemer se inicia la producción de este metal en grandes cantidades.
En general, el proceso del oxígeno básico consiste en refinar el arrabio en un horno de forma troncocónica de gran altura –el alto horno–, haciendo pasar oxígeno a alta presión a través del metal fundido. El oxígeno se combina con el carbono y con los elementos no deseados e inicia una reacción de oxidación de las impurezas del arrabio.
Proceso para la fabricación del acero y sus distintos productos semielaborados a partir del mineral y de las chatarras.
A la vez se agrega cal y otros materiales, usados como fundentes, para generar una reacción química que produzca calor a una temperatura aproximada de 1650 °C. Cuando se obtiene la composición correcta de acero, comprobada a través de muestras, se vierte el acero fundido en la olla de colada continua.
Este proceso se utiliza para la fabricación a gran escala de aceros al carbono, gracias a que un horno de oxígeno básico puede generar hasta 300 toneladas de acero en apenas 45 minutos.
Horno de arco eléctrico
Con este horno, el calor necesario para la fusión del metal se obtiene de la electricidad, y no de la combustión de carbón. Dentro de una cámara hermética se forma un arco voltaico entre dos grandes electrodos. Este arco genera un calor intenso, hasta 1930 °C, que derrite la carga de metal. En ese momento se agregan a la masa derretida las cantidades exactas de los elementos de aleación necesarios.
La materia prima que se utiliza en este proceso es la chatarra de acero, la cual es previamente analizada y clasificada para que su contenido en aleación no afecte a la composición del metal refinado.
La ventaja más importante respecto a otros hornos es que la temperatura se puede controlar con gran precisión, automáticamente. Esto resulta muy útil principalmente en la fabricación de aceros especiales y aceros inoxidables, pues no se emplea ningún combustible que pudiera ocasionar impurezas en el acero.
Formas comerciales de los metales
L os metales se presentan en el mercado en forma de productos acabados. Se trata de barras de muy diversas secciones y tamaños llamados perfiles comerciales. Estos productos están normalizados dependiendo de su grado de transformación, de su forma, del acabado que tienen y del uso a que están destinados. Se suministran como productos semielaborados y productos acabados.
Los productos semielaborados son la materia prima empleada como punto de partida para ejecutar los productos acabados. Se consiguen por laminación en caliente del producto en bruto obtenido de la colada extraída de los altos hornos.
Tales productos son el desbaste, de sección cuadrada o rectangular, la palanquilla, de sección cuadrada, y el llantón, de sección rectangular. Todos ellos se elaboran sin aristas.
Los productos acabados se obtienen por diversos sistemas de conformado. Entre ellos destaca la laminación, la extrusión, la fabricación de tubos, el trefilado y el estirado.
Secciones de los productos semielaborados de acero a la salida de la primera laminación en caliente. Desbaste (A), palanquilla (B) y llantón (C).
Laminado
Laminar consiste en hacer pasar una masa metálica entre dos rodillos superpuestos y que giran en sentido inverso. Este procedimiento se puede realizar tanto en frío como en caliente.
Cuando el proceso se lleva a cabo en caliente se produce un efecto de forja continua. La laminación en caliente no produce acritud, es decir, el material no se endurece debido a la deformación. Además, ésta puede ser tan intensa como sea necesario si se mantiene el material a la temperatura adecuada, entre la de recristalización y la de fusión. También mejoran con este proceso las características estructurales y químicas del metal.
En la laminación en frío se trabaja a temperatura ambiente, lo que provoca que los metales adquieran acritud por la deformación. Esta característica se elimina efectuando un recocido al terminar el proceso.
De entre todos los metales, los aceros son los más utilizados en los procesos de laminado, tanto en frío como en caliente. También se obtienen gran variedad de perfiles con el cobre y sus aleaciones, el aluminio y sus aleaciones, las aleaciones de magnesio, el cinc o el plomo.
El conformado de los productos se realiza en cajas de laminación, formada, esencialmente, por dos o más cilindros superpuestos. Cuando estas cajas se disponen de manera que permitan el paso del material sucesivamente por cada una, con el objeto de obtener un determinado perfil, reciben el nombre de tren de laminación. Existen trenes de laminación desbastadores, de palanquilla, estructurales, de perfiles, etc., clasificados en función del producto que elaboran.
Los trenes comerciales se utilizan para la fabricación de perfiles de pequeño y medio peso. Están formados por cilindros acanalados repartidos en grupos con formas que se van acercando paulatinamente a la forma final del producto acabado. El producto semielaborado se hace pasar primero por el grupo desbastador, seguidamente por el preparador y, para finalizar, por el acabador.
La enorme presión de los rodillos de laminación produce variaciones en la estructura de los metales. Cuando la laminación se realiza a temperatura ambiente el metal se endurece y pierde plasticidad y elasticidad, volviéndose más frágil, por lo que es necesario aplicar un recocido posterior que le devuelva esas propiedades.
Si se realiza en caliente, se produce un efecto de forja continua que mejora propiedades como la tenacidad o la ductilidad del metal, volviéndolo más resistente a la rotura, la torsión, la tracción o la contracción.
Estirado y trefilado
Se trata de dos procesos de conformación de materiales dúctiles. Ambos deforman por medio del estiramiento a través de unos orificios calibrados, llamados hileras.
La diferencia entre uno y otro proceso radica en tres aspectos esenciales: la clase de material al que se aplican, el objeto de la operación y la realización de la misma.
El estirado se aplica a barras de diámetro superior a 10 mm, mientras que el trefilado trabaja con redondos de 5 a 8 mm de diámetro, obtenidos por laminación especialmente para este proceso.
Secciones sucesivas obtenidas en cada grupo de cajas laminadoras hasta conseguir un perfil angular.
Secciones obtenidas en cada grupo de cajas laminadoras para conseguir la laminación de carril.
El estirado tiene por objeto calibrar, endurecer con la deformación o conferir una determinada forma, mientras que la función del trefilado es adelgazar el material. Asimismo, el estirado realiza la operación en una sola pasada y el trefilado precisa varias para adelgazar el metal.
Los materiales que se trefilan para obtener toda clase de alambres son los aceros, el cobre, el bronce y el aluminio. Los filamentos de las lámparas eléctricas se obtienen a partir de wolframio trefilado.
Para el estirado se utilizan metales resistentes a la tracción, para que no se rompan, y dúctiles. Los más empleados son los aceros al carbono y aleados, el cobre, los latones, el aluminio y sus aleaciones y el magnesio.
Extrusión
La extrusión es un método para conformar los metales y sus aleaciones, haciéndolos fluir a presión, en frío o en caliente. Por medio del mismo se obtienen perfiles y tubos de secciones uniformes y buen acabado.
En la extrusión en frío se obliga a fluir el material colocado en el fondo de una matriz entre las paredes de ésta y las del punzón que lo presiona con energía.
Los metales empleados son muy dúctiles, como el plomo, el estaño, el cinc o el cobre, y la presión ejercida por el punzón muy potente. Ésta es aplicada por choque para que la energía liberada por el impacto desprenda calor y facilite la extrusión.
Con la extrusión en frío se fabrican pequeños recipientes de paredes flexibles destinados a contener pastas como pegamentos, pinturas, cremas, etc. También se fabrican vainas para pilas cilíndricas, condensadores...
En la extrusión en caliente se hace fluir los metales a temperaturas cercanas a la de fusión, a través de matrices con boquillas de igual sección que el perfil que se desea conseguir.
Con esta técnica se conforman gran número de metales y aleaciones, como el plomo, el estaño, el cinc, el cobre, el aluminio, el níquel o el manganeso, y todas sus aleaciones. También se aplica con los aceros dulces e inoxidables.
Con la extrusión en caliente se obtienen piezas de perfiles angulares, tes, dobles tes, tubos redondos o irregulares, con aletas, con nervio y molduras de cualquier forma.
Esquema de cómo se estira o trefila un perfil a lo largo en una hilera hecha de metal muy duro. El metal que reduce su sección se hace pasar a presión a través de esta hilera estirado por delante y también empujado por atrás.
Fases de la extrusión en frío. La operación se efectúa en una prensa adecuada. En (A) un disco de metal que hay que extruir se coloca dentro de la matriz, compuesta de metal muy duro. En (B) un impacto a una presión determinada de un punzón de metal duro logra dar forma o extrusionar el disco de metal, que en (C), al retirarse el punzón hacia el interior del extractor, se desprende la pieza. La presión con que se efectúa el impacto se calcula en función de una serie de variables, como las características del metal que se desea extrusionar, su forma y el grosor del disco, entre otras.
Partes principales de una prensa de extrusión. En el dibujo se representa la creación de un perfil T a partir de la extrusión de un lingote.
Fabricación de tubos
La fabricación de tubos se realiza por medio de una gran variedad de procedimientos, atendiendo a la multitud de tipos diferentes que se comercializan y en función de su utilidad. Existen tubos abiertos, engrapados, soldados eléctricamente por costura, por arco o por soldadura oxiacetilénica. Tubos fundidos, embutidos en caliente, extruidos en caliente o fabricados por perforación con mandril. Los hay empleados para elementos constructivos, para la conducción de fluidos, para la construcción de andamios. Otros se usan en la industria automovilística, en aplicaciones domésticas o en la fabricación de muebles metálicos.
Fases de la fabricación de tubos por perfilado y soldadura eléctrica por costura.
La chapa se va curvando a través de varios rodillos hasta conseguir la circunferencia completa, momento en que se unen los bordes de forma automatizada por medio de la soldadura eléctrica.
Perfiles de cobre (derecha) y latón, macizos y huecos de secciones cuadrada y circular.
Perfiles de aluminio realizados por extrusión. Mediante dicho procedimiento, este metal se presenta en el mercado con innumerables formas complejas.
Estos perfiles son muy utilizados en la construcción de marcos para ventanas y cerramientos en general. También son muy apreciados en la industria aeronáutica, del automóvil y ferroviaria por su ligereza y resistencia.
Perfiles de acero
El gran número de productos acabados producidos en acero permite distinguir entre perfiles comerciales conformados por perfilación en frío y perfiles comerciales conformados por laminación en caliente.
Los primeros se realizan a partir de una chapa fina, de entre 1 y 6 mm de espesor, en perfiladoras que doblan y curvan el metal en frío, es decir, a temperatura ambiente. En general, en la perfilación en frío no existe laminación propiamente dicha, pues la sección final de la chapa conformada para generar el perfil no varía de la sección inicial.
Este perfil se usa generalmente para la construcción de muebles metálicos y estructuras ligeras, por ejemplo marcos para puertas y ventanas, y elementos de construcción como barandillas o rejas.
Diferentes tubos conformados en frío y fabricados a partir de chapas finas de diferente grueso en perfiladoras automáticas: tubos abiertos de alas iguales muy usados para crear guías para persianas (A), tubos especiales para la construcción de marcos y puertas (B), tubos pasamanos utilizados para la realización de barandillas (C), tubos rectangulares (D), tubos cuadrados (E), tubos redondos (F), tubo fabricado por perforación de un tocho en caliente (G).
La laminación en caliente, es decir, cuando el metal ha sido elevado a una temperatura adecuada, mejora las características del metal eliminando cualquier posible sopladura producida en la fundición. También hace desaparecer algunas heterogeneidades del metal, tanto en la composición química como en su estructura, eliminando del metal impurezas o restos de escorias procedentes asimismo de la fundición.
En general, los productos creados a partir de los trenes de laminación en caliente están destinados a funciones estructurales por sus óptimas cualidades mecánicas, de resistencia a la torsión, a la compresión o a la tracción. Son muy usados en la construcción de estructuras para ingeniería civil como puentes, torres eléctricas o compuertas de embalses; en arquitectura como esqueleto de edificios, o en la industria naval.
Distintas formas de perfiles conformados por laminación en caliente: perfil normal “I” PN (A), perfil Grey (B), perfil normal “U” PN (C), perfil normal “T” PN (D), perfil angular de alas iguales (E), cuadrados (F), redondos (G), hexagonales (H), pletinas (I).
