tema 4

Tema 4

Los metales

El descubrimiento de los metales transformó el mundo. Gracias a las herramientas metálicas mejoraron la agricultura, la carpintería, la cantería y el trabajo de la piedra.

Con la llegada del oro, del cobre, del bronce y del hierro cambiaron la forma de entender la guerra y el comercio.

Se emplean en la fabricación de estructuras, herramientas, piezas de maquinaria, conductores eléctricos, joyas, utensilios de cocina y todo tipo de objetos que necesiten de alguna de sus propiedades.

1 Los materiales metálicos.

Los materiales son aquellos que están compuestos por uno o más metales, aunque pueden contener otros componentes no metálicos, como, por ejemplo el carbono.

Según cuál sea la composición los materiales metálicos se suelen clasificar en dos grandes grupos:

Materiales metálicos férricos.

Materiales metálicos no férricos.

1.1 Las aleaciones.

Las aleaciones son materiales metálicos que se obtienen al fundir un metal con otros materiales, casi siempre con otros metales,y dejar que se enfríe la mezcla.

1.2 Propiedades de los materiales metálicos.

Los materiales metálicos se caracterizan por:

·Son sólidos a la temperatura ambiente, excepto el mercurio y el galio, que son líquidos. Cuando los calentamos lo suficiente, los metales funden, cada uno de ellos a una temperatura determinada que llamamos punto de fusión. Por ejemplo mientras que el estaño funde a los 232ºC, el hierro necesita 1500ºC.

·Conducen bien el calor y la electricidad.

·Tienen buena resistencia mecánica frente a los esfuerzos de tracción, compresión y flexión.

·Son dúctiles y maleables; es decir, que pueden estirarse, para formar alambres y láminas, respectivamente sin sufrir roturas.

·Algunos metales como el hierro, el cobalto o el níquel, tienen propiedades magnéticas.

·Muchos metales se oxidan con facilidad, lo que puede llegar a deteriorarlos, aunque hay metales como el oro y el platino que no se oxidan.

·Se mecanizan con facilidad.

Los metales se dilatan y contraen apreciablemente cuando se calientan o se enfrían.

1.3 Obtención de los materiales metálicos.

Los metales por lo general, no se encuentran libres en la naturaleza, sino que están combinados con otros elementos, formando minerales.

La minería se encarga de la extracción de estos materiales (menas) y  de separarlos de los materiales sin utilidad que los acompañan (ganga). Después, son necesarios una serie de procesos físicos y químicos para extraer los metales de sus minerales y transformarlos en productos útiles para la actividad técnica.

La obtención de los metales se realiza por diferentes técnicas, entre las que tenemos:

●     Calcinación y tostación: El mineral se calienta en un horno, con lo que, dependiendo del mineral, se consigue que el metal quede libre o forme un óxido.

●     Electrorisis: El mineral se disuelve o se funde y, a continuación, se introducen dos electrodos en la disolución o mineral fundido, haciendo que pase la electricidad a través de ellos, con lo que se consigue que el metal puro se deposite sobre uno de los elecrodos a medida que ciscule la corriente.

1.4 Formas comerciales de los materiales.

Las formas más habituales en las que podemos encontrar los materiales son:

●     Largos: Son barras de sección cuadrada o circular.

●     Planos: Consisten en superficies planas de distintos espesores. Cuando son delgados se llaman chapas.

●     Perfiles: Son barras con formas especiales.

●     Lingotes: Son bloques que se obtienen vaciando el metal fundido en un molde y dejando que se solidifique.

2 El hierro y el acero.

El hierro es un elemento químico que constituye aproximadamente el 5% de la corteza terrestre.

2.1 El hierro dulce.

Este producto siderúrgico contiene entre un 99,90 y un 99,99 de hierro. En estas condiciones, se puede considerar como hierro prácticamente puro.

El hierro dulce tiene pocas aplicaciones industriales, dadas sus bajas propiedades mecánicas y su difícil obtención. Es un material dúctil y maleable que admite la forja. Es por esto, por lo que se le llama también hierro forjado. Se emplea principalmente en electricidad y electrónica.

2.2 Los aceros.

Los aceros son aleaciones de hierro y carbono, a las que se les suelen añadir otros elementos como el cromo, el manganeso, el níquel, el vanadio o el titanio. Con ello se consigue que el acero adquiera ciertas propiedades, dependiendo de los elementos y de la proporción en la que se le añadan, tales como la elasticidad, mayor dureza o mayor resistencia a la corrosión.

Según su composición, se distinguen dos clases de acero:

●     Aceros comunes: Contienen únicamente hierro y carbono.

●     Aceros aleados: Contienen otros elementos además del hierro y del carbono.

2.3 Las fundiciones.

Las fundiciones son aleaciones de hierro y carbono que se diferencian de los aceros en que contienen un mayor porcentaje de carbono.

2.4 La siderurgia.

La siderurgia es la metalurgia del hierro, del acero y de las fundiciones.

A grandes rasgos, el proceso siderúrgico transcurre de la siguiente manera:

1.   Extracción del mineral de hierro en las explotaciones mineras.

2.    Separación de la mena (el mineral que contiene el hierro) y la ganga (arena, cal, otros minerales) y preparación del mineral y del carbón para el horno.

3.    Calcinación del mineral de hierro en un alto horno, para obtener el arrabio, que es un producto formado por hierro que contiene entre el 2,5% y el 4,5% de carbono, además de silicio, maganeso, fósforo, azufre y otras impurezas.

4.   Transformación del arrabio en hierro dulce, fundiciones o acero.

3 Materiales metálicos no férricos.

Los materiales férricos son relativamente fáciles de obtener, su coste es bajo y, además presencian una gran resistencia mecánica.

3.1 El cobre.

Es un metal de color rojo brillante, buen conductor del calor y la electricidad, muy dúctil y maleable, fácil de cortar y doblar y muy resistente a la corrosión. Se obtiene a partir de distintos minerales, como la cuprita, la calcopirita y la malaquita.

· Bronces, latones y alpacas.

●     Bronces: Aleaciones de cobre y estaño.

●     Latones: Aleaciones de cobre y cinc.

●     Alpacas: Aleaciones de cobre, cinc y níquel, muy dúctiles y fáciles de trabajar a la temperatura ambiente.

3.2 El cinc.

El cinc es un metal blando, de color blanco azulado, resistente a la intemperie. Se obtiene a partir de la blenda.

3.3 El estaño.

El estaño es un metal de aspecto blanco brillante, muy resistente a la corrosión atmosférica, fácil de fundir y de trabajar. Es muy maleable en frío, pero en caliente se vuelve quebradizo. Se obtiene a partir de la casiterita.

· La hojalata.

Consiste en una lámina de hierro o acero recubierta de estaño. Es un material fácil de cortar, doblar y soldar.

3.4 El aluminio.

El aluminio es un metal de color plateado claro, muy resistente a la oxidación. Es, además, muy ligero, buen conductor del calor y la electricidad y fácil de mecanizar. Se obtiene principalmente a partir de la bauxita.

· Aleaciones ligeras.

El aluminio se emplea aleado con otros elementos, formando las llamadas aleaciones ligeras, que tienen la misma resistencia que los aceros pero son considerablemente menos pesados que ellos.

Se emplean en la fabricación de automóviles, aviones, trenes, bicicletas, material deportivo, etc.

4 Fabricación manual con materiales metálicos.

Trazado y doblado.

4.1 Trazar y marcar.

Para trazar, se utiliza un lápiz blando o un rotulador.

Para marcar, emplearemos la punta de trazar, el compás de puntas y el granete. Los puntos de corte se pueden marcar con unos alicates o con una lima.

4.2 Sujetar.

Los utensilios que se emplean para sujetar piezas metálicas son los mismos que los que se utilizan con las piezas de madera: los gatos y el tornillo de banco.

Cuando las piezas son pequeñas o difíciles de manipular, se utilizan las tenazas, las pinzas o los alicates.

4.3 Doblar.

· Doblar alambre.

●     Si el alambre es grueso y se quiere doblar en ángulo, se emplean los alicates universales.

●     Si se quiere hacer un anillo o un doblez curvo, se emplean los alicates de punta redonda.

●     Si el alambre no se puede doblar con el alicate, se sujeta en el tornillo de banco y, después, se golpea con suavidad con el martillo, lo más cerca posible del tornillo.

· Doblar chapa.

●     Si la chapa metálica no es muy gruesa, se puede doblar en ángulo apoyándose sobre uno de los bordes de una mesa, sujetando con una mano, y haciendo fuerza, hacia abajo, con la otra.

5 Fabricación manual con materiales metálicos. Cortes.

Para cortar alambres finos, se usan los alicates. Si lo que queremos es cortar en una plancha, no muy gruesa, emplearemos las tijeras de chapa. Para cortar tubos, barras, chapas gruesas y alambres gruesos, utilizaremos la sierra para metales.

5.1 Cortar chapa.

Para cortar chapa, utilizaremos guantes de longa gruesa o de cuero resistente. Siempre que sea posible el material tiene que estar bien sujeto.

5.2 Cortar alambre.

Si el alambre no es demasiado grueso, se puede cortar con los alicates universales, que tienen dos filos de corte y dos hendiduras destinados a este fin. Para ello:

1.   Se coloca el alambre entre dos filos cortantes de los alicates.

2.   Se hace fuerza, lo más atrás posible, sobre los mangos de los alicates.

5.3 Cortar con la sierra de metales.

1.   Se elige la hoja de sierra adecuada, según la cuál sea la dureza de la pieza que se va a cortar.

2.   Se sujeta firmemente la pieza en el tornillo de banco, o empleando un gato o sargento.

3.   Se inicia el corte, dando unas suaves pasadas hacia atrás sobre la marca en la que se debe serrar, guiando la hoja con el pulgar de la otra mano, hasta que el corte quede perfectamente señalado.

4.   Se mueve la sierra hacia delante y hacia atrás, sujetándola con las dos manos y manteniéndola perpendicular a la pieza que se está serrando.

5.4  Taladrar.

Cuando la pieza que se quiere taladrar es fina:

1.   Se coloca un retal de madera debajo de la pieza que queremos taladrar.

2.   Se taladra la pieza con un sacabocados y un martillo.

3.   Se redondea el orificio, girando el sacabocados en uno y otro sentido.

5.5 Limar.

El limado de metales es la técnica que se emplea para rematar los cortes, eliminar rebabas, redondear perfiles, reparar superficies curvas y planas, etc. Este trabajo se realiza con las limas.

6 Fabricación manual con materiales metálicos. Uniones.

Las piezas metálicas pueden unirse de distintas maneras, dependiendo de la consistencia que se quiera conseguir y de si queremos que la unión sea fija o desmontable.

6.1 Uniones desmontables.

Las uniones desmontables permiten la unión y separación de las piezas sin romperlas. En el caso de piezas metálicas, las más habituales son:

●     Tornillos y tuercas.

●     Tornillos para chapa.

●     Espárragos.

●     Pasadores.

· Llaves.

Para apretar y aflojar tuercas y tornillos, se utilizan llaves. Hay distintos tipos de llaves, que se eligen según sean la forma y el tamaño de la tuerca.

6.2 Uniones fijas.

Una vez unidas, las piezas no pueden separarse sin que se rompan o se deterioren.

· Pegado.

En la actualidad existen pegamentos para unir casi todo tipo de materiales.

· El pegamento termofusible es bastante eficaz con la mayoría de los materiales, entre ellos los metales.

· Los pegamentos epoxy de dos componentes consisten en dos sustancias líquidas que se deben mezclar en la misma proporción.

· Remachado.

La unión mediante los remaches se emplea cuando hay que unir piezas de poco espesor, como láminas o chapas. La instalación de los remaches se lleva a cabo de la siguiente manera:

1.   Se superponen las dos piezas que se quieren unir y se taladran juntas.

2.   Una vez hecho el taladro, se introduce por el orificio que se ha practicado la caña del remache.

3.   Se apoya la cabeza sobre una superficie dura y se aplasta el otro extremo con un martillo. La cabeza y el extremo impiden que las piezas se separen.

· Soldadura manual.

Consiste en unir dos piezas metálicas vertiendo sobre ellas estaño fundido.

· Cómo soldar con estaño.

1.   Una vez limpias las piezas, se sujeta en un tornillo de banco una de ellas.

2.   Se toca ligeramente la punta del soldador con un hilo de estaño, con lo que se recubre con una fina capa de metal fundido.

3.   Antes de aplicar el estaño sobre el metal, se debe calentar previamente la pieza a soldar, apoyando sobre ella la punta del soldador.

4.   Una vez caliente la pieza, se aplica el estaño sobre el metal en una zona próxima a la punta del soldador, pero no directamente sobre este, hasta que la pieza se recubra con estaño fundido.

5.   Se juntan las dos piezas metálicas lo más posible por las zonas previamente estañadas, y se apoya sobre ellas la punta del soldador, que ya tiene un poco de estaño.

7 Fabricación industrial con materiales metálicos.

7.1 Fabricación por deformación.

Entre otros, la forma de la pieza se consigue mediante los siguientes procedimientos:

●     Plegado: Consiste en doblar una pieza a lo largo de una de sus aristas.

●     Embutición y estampación: Ambos procedimientos se emplean para deformar metales en frío.

●     Forja: Consiste en deformar un bloque de metal, una vez que se ha calentado, golpeándolo con mazas o con una prensa.

●     Trefilado: Consiste en forzar el paso del material a través de unos orificios calibrados de diferentes diámetros.

●     Extrusión: Consiste en empujar un lingote al rojo (tocho) a través de una abertura que tiene una forma determinada.

●     Laminado: Se hace pasar el metal de dos cilindros o rodillos que lo arrastran y que van reduciendo progresivamente su espesor.

7.2 Fabricación por moldeo o fundición.

Consiste en calentar el metal en un horno que alcanza su punto de fusión, vertiendo a continuación el material licuado en un molde, que tiene forma y el tamaño de la pieza que se quiere fabricar

7.3 Fabricación por corte.

El corte puede realizarse por medios mecánicos y térmicos.

Entre los procedimientos mecánicos tenemos:

●     Corte por chorro de agua: Utiliza para cortar un chorro muy fino que se proyecta a una presión muy elevada.

●     Serrado: Se lleva a cabo con sierras de cinta o de disco, accionadas por máquinas especiales.

Entre los procedimientos térmicos se encuentran:

●     Oxicorte: Se lleva a cabo mediante la acción conjunta de un gas combustible y un chorro de oxígeno que quema una franja del material, convirtiéndola en escoria.

●     Corte con láser: Emplea una fuente de luz muy concentrada, consiguiendo cortes de una gran precisión en todo tipo de materiales.

●     Corte con arco: Se realiza aprovechando el calor obtenido a partir de la corriente eléctrica, que puede llegar a fundir el metal.

7.4 Fabricación por mecanizado.

Entre otros procedimientos, el mecanizado se puede realizar mediante:

·Fresado. Se lleva a cabo con una  fresadora.

·Torneado. Se lleva a cabo con un torno.

7.5 Fabricación por soldadura.

La soldadura consiste en unir dos bloques de material por medio del calor. El la mayoría de los casos es necesario, además, añadir un material de relleno.

Según como se genere el calor, hay distintas formas de soldar:

●    Soldadura a la llama.

●    Soldadura de resistencia eléctrica.

●    Soldadura de arco eléctrico.

7.6 Acabados.

El acabado dependerá de las características de cada metal. Muchos metales se oxidan o se cubren de una pátina al contacto con la atmósfera.

Para alisar  y pulir las superficies metálicas, se emplean el lijado y el rectificado.

8 Impacto ambiental de la obtención, uso y desecho de los metales.

8.1 Impacto de la minería.

La minería es una de las actividades que más impactan sobre el ambiente. Las canteras y las minas a cielo abierto degradan profundamente el paisaje, además de mover enormes cantidades de materiales y producir gran cantidad de polvo.

8.2 Impacto de la industria metalúrgica.

La industria metalúrgica es una de las más contaminantes. Como consecuencia de su actividad se producen, entre otros, los siguientes efectos:

●     Emisión de gases procedentes de los hornos.

●     Consumo de energía, especialmente en forma de electricidad.

●     Producción de escorias, lodos y vertidos.

8.3 Impacto de los residuos metálicos.

Nuestra sociedad genera grandes cantidades de residuos metálicos: latas, alambres, envases, carcasas de electrodomésticos...No obstante, los materiales metálicos son fáciles de reciclar, ya que se pueden fundir y conformar una y otra vez.