Unidad 8: Los metales

Materiales metálicos

Los metales son un grupo de elementos químicos con unas características que los hacen muy útiles para el hombre, entre las que destacan la conductividad ( caso del cobre ), la resistencia mecánica ( hierro y acero ), la resistencia a las altas temperaturas ( wolframio ), etc.

O sea, tenemos un metal o aleación para cada necesidad de la técnica.

Todos ellos son sólidos a temperatura ambiente, excepto el mercurio.

Los metales no suelen presentarse en la naturaleza en forma pura, sinoformando óxidos que se encuentran en los minerales. Por ejemplo, la Hematita es un mineral  que contiene  óxido férrico ( Fe2O3 )   con algunas trazas de otros minerales como aluminio, magnesio, etc. Otro mineral usado para obtener el hierro es la magnetita.

Hay otros metales que se presentan en forma pura, como las pepitas de oro

En general, se puede decir que los metales tiene las siguientes propiedades:

• Maleabilidad: Podemos hacer láminas  de muchos de ellos al pasar por rodillos especiales o con otras técnicas donde se le somete a esfuerzos de compresión.
• Ductilidad: Con técnicas apropiadas, formamos hilos al someterlo  a esfuerzos de tracción.
• Tenacidad: Esto sería lo contrario de la fragilidad, o sea, los metales presentan  gran resistencia a  romperse  cuando reciben golpes.
• Resistencia mecánica:  Cuando los sometemos a las diferentes fuerzas ( tracción, torsión , comprensión..) suele comportarse muy bien.
• Dureza . La dureza de los metales es muy variable. Tenemos  el acero con una gran dureza o el  aluminio , que es considerado un metal blando. La dureza se define como la resistencia que presenta un material a ser rayado.

Además de las anteriores, también son  opacos, con  alta densidad,  alto punto de fusión y muy buenos conductores del calor y la  electricidad.

Podemos clasificar los metales en base al color, la densidad, los resistente que sea..  Sin embargo, dado que el hierro ha sido el metal mas usado con mucha diferencia, los metales se suelen clasificar en ferrosos ( si tienen hierro ) y no ferrosos ( no tienen hierro ).

Metales ferrosos

Los materiales férricos son aquellos que en su composición tienen principalmente hierro, como el acero ( mezcla de hierro  con un poco de carbono ) o el hierro puro.

En la imagen podemos observar bobinas de acero empleadas para la chapa de los automóviles. Sólo con este uso, ya nos podemos imaginar la demanda tan elevada que hay de este material. Si además tenemos en cuenta que el motor del coche está fabricado básicamente por hierro, sumamos y sumamos.

La gran ventaja de este material es su precio relativamente bajo y la capacidad de unirse con otros elementos para mejorar sustancialmente sus propiedades. Veremos el caso del acero.

Hemos representado un tipo de acero ( la estructura cristalina, o sea, como se colocan los átomos en el material )

Las bolas grises representan los átomos de hierro y las azules los de carbono.

Al formarse la estructura ( hierro en el horno ) los átomos de hierro está moviéndose libremente. Cuando baja la temperatura es como la diana de los metales ( hay que formar filas ) y los átomos de hierro se agrupan de forma que generan ese cubo de la imagen. Como hemos añadido un poquito de carbono ( sobre el 1% ), los átomos de este no metal   se “cuelan” en la formación del cubo ( red cristalina ) creando una aleación con unas propiedades mecánicas mejores.

Según el porcentaje de carbono que tiene, los materiales férricos se clasifican en:

Hierro Dulce, con carbono <0.1%. Se oxida muy fácilmente, en cuestión de horas se forma una capa marrón que va destruyendo el material. Es un material blando y magnético, por ello se suele emplear en piezas de electroimanes

Aceros donde 0,1% < C < 2%. Tenemos un material donde el carbono es menor al 2%. También se oxidan, son mas duros al tener mas carbono, tenaces, dúctiles y maleables. Se pueden soldar sin problemas y su uso va desde los vehículos de todo tipo, herramientas de corte como la broca y hojas, etc. Si le añadimos un 12% de cromo tenemos el acero inoxidable

Fundiciones,  cuando el carbono es mayor del 2% y menor del 5%. A mayor carbono, mayor dureza, pero la ductilidad y tenacidad empeoran. Funden a temperaturas menores y son apropiados para fabricar piezas complicadas ( se adaptan muy bien al molde ). Su uso va desde los motores a las rejillas de alcantarillas.

 Metales no férricos

Veremos los metales que pos su uso son mas importantes

Cobre . Debido a su gran conductividad térmica y eléctrica, su uso queda casi exclusivamente para estos cometidos ( cables, tubos de calderas .. ) ya que no es un material barato. Se suelda con facilidad , es muy dúctil y maleable y cuando se oxida, forma una capa verdosa que le protege .

Aluminio. También es un excelente conductor de la electricidad y del calor. Es muy blando con baja densidad. Como en el caso del cobre ( aunque mejor aún), al oxidarse forma una fina capa de óxido de aluminio que le hace enormemente resistente a la oxidación.

Se usa mucho en la industria de la alimentación debido a su nula toxicidad, así como en marcos de ventanas y aplicaciones del estilo, ya que son resistentes a la humedad, radiaciones solares, etc.

Estaño  

Muy blando e inoxidable. Se emplea fundamentalmente en la soldadura de cobre ( cables eléctricos y tubos de calefacción ) debido a a su bajo punto de fusión.

Otro uso es el recubrimiento de láminas de acero para fabricar la hojalata.

Cinc: Se suele emplear junto con otros metales. Muy resistente a la corrosión, se emplea mucho en el proceso de galvanizado por el cual se añade este elemento a la capa externa del metal ( generalmente un acero ) para crear un material muy resistente en la intemperie.

Los quita-miedos de las carreteras son otro ejemplo entre otros. La gran ventaja es que te olvidas de su mantenimiento ya que no necesita pinturas protectoras.

Existen otros metales como el titanio ( caro, muy duro, resistente a la corrosión ) que se emplea en prótesis médicas , el wolframio … ¿ Sabes de algún otro metal usado en nuestra sociedad que sea interesante ?

Aleaciones

La mezcla de varios elementos químicos, ( uno de ellos debe se metal )  da lugar a un nuevo material mejorando alguna de las  propiedades. A este nuevo material, le llamamos aleación. Veremos algunos de ellos.

Latón . Con una base de cobre, se le añade entre el 5 y 40 % de cinc. En este caso mejoramos al doble la resistencia a la tracción de sus componentes base. Se suele emplear como herrajes, material de fontanería  y accesorios en general.

Bronce. Empleamos de nuevo una base de cobre a la que añadimos  un 10 % de estaño. El resultado es un material mas resistente a la tracción que los latones, resiste a la corrosión y cuando está fundido es muy fluido, por lo que es apropiado para hacer figuras usando moldes. Sus aplicaciones van desde cojinetes o engranajes hasta estatuas.

Representamos en este apartado un rodamiento general ( las bolas suelen ser de acero ) para que se vea como funciona. Se suele poner en los ejes de las lavadoras, por ejemplo. La siguiente imagen muestra otro tipo de rodamiento donde la jaula es de bronce.

Existen otras muchas aleaciones para dar respuesta a las demanda de la industria. En el caso de la aviación comercial, como el peso es un elemento determinante, las estructuras suelen hacerse de una aleación de aluminio, cobre y magnesio, mejorando las propiedades mecánicas de aluminio considerablemente con un peso muy inferior al hierro.