MATERIALES PARA PROCESOS DE MANUFACTURA
1. CLASIFICACIÓN DE LOS MATERIALES PARA MANUFACTURA
La mayoría de los materiales de ingeniería pueden clasificarse en: metales y no metales dentro de la categoría de los no metálicos se tiene a: los cerámicos y polímeros; entre los metales los cerámicos y los polímeros se forma un grupo de tres materiales básicos utilizados en la manufactura. Tanto sus características químicas como sus propiedades físicas y mecánicas son diferentes; estas diferencias afectan los procesos de manufactura. Además de estas tres categorías básicas existe otra: los materiales compuestos, los cuales son mezclas no homogéneas de los otros tres tipos básicos de materiales
1.1 METALES
Los metales usados en la manufactura son comúnmente aleaciones, las cuales están compuestas de dos o más elementos, en donde por lo menos uno es metálico. Los metales pueden dividirse en dos grupos: 1) ferrosos y 2) no ferrosos.
METALES FERROSOS
Los metales ferrosos se basan en el hierro; el grupo incluye acero y hierro colado; éstos constituyen el grupo de materiales comerciales más importantes y comprende más de las tres cuartas partes del tonelaje de metal que se utiliza en todo el mundo. El hierro puro tiene poco uso comercial; pero aleado con el carbón tiene más usos y mayor valor comercial que cualquier otro metal. Las aleaciones de hierro y carbón pueden formar acero y hierro colado.
Los elementos comunes que se añaden a la aleación son el cromo, el manganeso, el molibdeno, el níquel y el vanadio, algunas veces en forma individual, pero generalmente en combinación. Estos elementos forman soluciones sólidas con el hierro y compuestos metálicos con el carbono (carburos).
- Cromo (Cr). Mejora la resistencia, dureza, resistencia al desgaste y dureza en caliente. Es uno de los más efectivos elementos de aleación para incrementar la templabilidad. El cromo mejora significativamente las propiedades de resistencia a la corrosión.
- Manganeso (Mn). Mejora la resistencia y dureza del acero. Cuando el acero se trata térmicamente, el incremento de manganeso mejora la templabilidad. Debido a esto, el manganeso se usa ampliamente como elemento de aleación en el acero.
- Molibdeno (Mo). Aumenta la tenacidad, la dureza en caliente y la resistencia a la termoinfluencia. También mejora la templabilidad y forma carburos para resistencia al desgaste
- Níquel (Ni). Mejora la resistencia y tenacidad. Incrementa la templabilidad, pero no tanto como los otros elementos de aleación en el acero. En cantidades significativas mejora la resistencia a la corrosión y es otro de los elementos mayoritarios (además del cromo) en ciertos tipos de acero inoxidable
- Vanadio (V). Inhibe el crecimiento de los granos durante el procesamiento a temperaturas elevadas y durante el tratamiento térmico, lo cual mejora la resistencia y tenacidad del acero. También forma carburos que incrementan la resistencia al desgaste.
METALES NO FERROSOS
Los metales no ferrosos incluyen elementos metálicos y aleaciones que no se basan en el hierro. Los metales de ingeniería más importantes en el grupo de los no ferrosos son el aluminio, el cobre, el magnesio, el níquel, el titanio, el zinc y sus aleaciones.
Aunque el grupo de metales no ferrosos no puede igualar la resistencia de los aceros, algunas aleaciones no ferrosas tienen características, como resistencia a la corrosión y relaciones resistencia peso, que los hacen competitivos con los aceros en aplicaciones para esfuerzos moderados y altos. Además, muchos de ellos tienen otras propiedades distintas a las mecánicas que los hacen ideales para aplicaciones en las que el acero podría ser inadecuado. Por ejemplo, el cobre tiene una de las menores resistividades eléctricas entre los metales y es amplia mente usado para conductores eléctricos. El aluminio es un excelente conductor térmico y sus aplicaciones incluyen intercambia dores de calor y utensilios de cocina. También es uno de los metales más fáciles de formar, por esa razón es muy apreciado. El zinc tiene un punto de fusión relativamente bajo, por lo cual se utiliza ampliamente en operaciones de fundición en dados. Los metales no ferrosos comunes tienen su propia combinación de propiedades que los hacen útiles para una variedad de aplicaciones. Seguidamente, analizarnos los metales no ferrosos más importantes tanto comercial como tecnológicamente.
- El Aluminio (Al) tiene una alta conductividad eléctrica y térmica, y su resistencia a la corrosión es excelente debido a la formación de una película superficial dura y delgada de óxido. Es un metal muy dúctil y notable por su facilidad de formado. El, aluminio puro tiene una resistencia relativamente baja, pero puede alearse y tratarse térmicamente para competir con algunos de los aceros, especialmente cuando el peso es una consideración de importancia.
- El Magnesio (Mg) Es el mas ligero de los metales estructurales. Su gravedad específica es 1.47. El magnesio y sus aleaciones se encuentran disponibles en ambas formas forjadas y en fundición. Su maquinado es relativamente fácil. Sin embargo las partículas de magnesio (como pequeñas virutas) se oxidan rápidamente y debe tenerse cuidado para evitar riesgos de incendio. El magnesio como metal puro es relativamente suave y carece de la suficiente resistencia para la mayoría de las aplicaciones en ingeniería. Sin embargo se puede alear y tratar térmicamente para logra resistencias comparables a las aleaciones de aluminio. En particular su razón resistencia-peso es muy ventajosa para componentes de aviación y proyectiles.
- El cobre (Cu) es uno de los metales mas conocidos por los seres humanos desde la antigüedad. El cobre puro tiene un color rosado rojizo característico, pero su propiedad más distintiva en ingeniería es su baja resistividad eléctrica, una de las más bajas de todos los elementos. Debido a ésta propiedad y a su abundancia relativa en la naturaleza, el cobre, comercialmente puro es ampliamente usado como conductor eléctrico (es preciso señalar que la conductividad del cobre disminuye significativamente cuando se añaden elementos de aleación). El cobre es también un excelente conductor térmico. El cobre es uno de los metales nobles (como el oro y la plata), de suerte que es resistente a la corrosión. Todas estas propiedades se combinan para hacer del cobre uno de los metales más importantes.
- El níquel (Ni) es un elemento similar al hierro en muchos aspectos; Es magnético y su módulo de elasticidad es prácticamente el mismo que el hierro y el acero. Difiere del hierro en que es mucho más resistente a la corrosión y las propiedades de sus aleaciones a altas temperaturas son generalmente superiores. Debido a sus características de resistencia a la corrosión, se usa ampliamente como 1) un elemento de aleación en acero, tal como el acero inoxidable y 2) como un metal de chapeado sobre otros metales como el acero al carbono. Las aleaciones de níquel son comercialmente importantes por sí mismas y notables por su resistencia a la corrosión y su desempeño a altas temperaturas.
- El titanio (Ti) es medianamente abundante en la naturaleza, constituye cerca del 1% de la corteza terrestre (el aluminio es el más abundante y constituye el 8%). La densidad del titanio está entre la del aluminio y la del hierro; Su importancia ha crecido en las décadas recientes debido a sus aplicaciones aerospaciales, en las cuales se explota su peso ligero y su buena razón resistencia-peso. El coeficiente de expansión térmica del titanio es relativamente bajo comparado con otros metales. Es más rígido y fuerte en comparación con el aluminio y tiene buena resistencia a temperaturas elevadas. El titanio puro es reactivo, lo cual presenta problemas para su procesamiento, especialmente en estado fundido. Sin embargo, a temperatura ambiente forma un delgado recubrimiento adherente de óxido (Ti02) que suministra excelente resistencia a la corrosión.
- El zinc (Zn). Su bajo punto de fusión lo hace atractivo como un metal de fundición. También suministra protección contra la corrosión cuando se aplica como recubrimiento sobre el acero o hierro; el término acero galvanizado se refiere al acero que ha sido recubierto con zinc. Las aleaciones de zinc se usan ampliamente en la fundición de dados para producciones masivas de componentes destinados a la industria automotriz y de accesorios.
CERÁMICOS
Un material cerámico se define comúnmente como un compuesto que contiene elementos metálicos (o semimetálicos) y no metálicos. Los elementos no metálicos típicos son el oxígeno, el nitrógeno y el carbón. Algunas veces se incluye en la familia de los materiales cerámicos al diamante, el cual no se ajusta a la definición anterior. Los materiales cerámicos abarcan una gran variedad de materiales tradicionales y modernos. Entre los materiales tradicionales que se han usado por miles de años se encuentran: el barro, cuya disponibilidad en la naturaleza es abundante, y está compuesto por finas partículas de silicatos hidratados de aluminio y otros minerales, el cual se usa para hacer ladrillos, tejas y alfarería; la sílice (SiO2), base de casi todos los productos de vidrio; la alúmina (ALO3) y el carburo de silicio, dos materiales abrasivos usados en procesos de esmerilado.
Los materiales cerámicos pueden dividirse para propósitos de proceso en: 1) cerámicos cristalinos y 2) vidrios. Se requieren diferentes métodos de manufactura para los dos tipos. Los materiales cerámicos cristalinos son formados de diversas maneras a partir de polvos y luego se sinterizan (se calientan a una temperatura por debajo del punto de fusión para aglutinar y endurecer los polvos). Los materiales vítreos (vidrio) pueden derretirse, vaciarse y luego formarse mediante procesos como el tradicional soplado de vidrio
POLÍMEROS
Un polímero es un compuesto formado por repetidas unidades estructurales llamadas meros cuyos átomos comparten electrones para formar moléculas muy grandes. Los polímeros están constituidos generalmente por carbón y otros elementos como hidrógeno, nitrógeno, oxígeno y cloro. Los polímeros se dividen en tres categorías: Polímeros termoplásticos, Polímeros termofijos y Elastómeros
- Polímeros termoplasticos: Los termoplásticos pueden someterse a múltiples ciclos de calentamiento y enfriamiento sin alterar sustancialmente la estructura molecular del polímero. Los termoplásticos típicos a temperatura ambiente poseen las siguientes características: 1) menor rigidez, el módulo de elasticidad es de dos a tres veces más bajo que los metales y los cerámicos; 2) la resistencia a la tensión es más baja, cerca del 10% con respecto a la de los metales; 3) dureza muy baja; y 4) ductilidad más alta en promedio, con un tremendo rango de valores, desde una elongación del 1 % para el poliestireno, hasta el 500% o más para el propileno. En cuanto a sus propiedades físicas, los polímeros termoplásticos poseen: 1) densidades más bajas que los metales y los materiales cerámicos, las gravedades específicas típicas para los polímeros son alrededor de 1.2, para los cerámicos alrededor de 2.5, y para los metales alrededor de 7.0, 2) coeficientes de expansión térmica mucho más altos, aproximadamente cinco veces el valor de los metales y 10 veces el de los cerámicos; 3) temperaturas de fusión muy bajas; 4) conductividades térmicas que son alrededor de tres órdenes de magnitud más bajos que los de los metales, y 5) propiedades de aislamiento eléctrico
- Polímeros termofijos: Estas moléculas se transforman químicamente (se curan) en una estructura rígida cuando se enfrían después de una condición plástica por calentamiento, de aquí el nombre de termofijo. Debido a las diferencias en la composición química y estructura molecular, las propiedades de los plásticos termofijos son diferentes de los termoplásticos. En general, los termofijos son 1) más rígidos, con módulos de elasticidad dos o tres veces más grandes; 2) frágiles, prácticamente no poseen ductilidad; 3) menos solubles en los solventes comunes; 4) capaces de funcionar a temperaturas más altas; y 5) no pueden ser refundidos, en lugar de esto se degradan o se queman
- Elastomeros: Estos polímeros exhiben un comportamiento elástico importante, de aquí el nombre de elastómero. Los elastómeros son polímeros capaces de sufrir grandes deformaciones elásticas cuando se les sujeta a esfuerzos relativamente bajos, Algunos elastómeros pueden soportar deformaciones de hasta el 500% o más, pero retornan a su forma original. El ejemplo más popular de un elastómero es desde luego el hule. Podemos dividir a los hules en dos categorías: 1) hule natural, derivado de ciertas plantas y 2) polímeros sintéticos producidos por procesos de polimerización, similares a los que se utilizan para los termoplásticos y los termofijos
COMPUESTOS
Los materiales compuestos no constituyen realmente una categoría separada de los materiales; sino que constituyen una mezcla de los otros tres tipos de materiales. Un material compuesto se logra comúnmente con dos fases en las que se procesan separadamente los materiales y luego se unen para lograr propiedades superiores a los de sus constituyentes. La estructura usual de un material compuesto está formada por partículas o fibras de una fase mezcladas con una segunda fase llamada matriz
CLASIFICACIÓN DE LOS MATERIALES
La mayoría de los materiales se pueden clasificar en metales y no metales (incluyendo los polímeros y cerámicos), sus propiedades y características son diferentes.
imagen tomada de: http://www.tecnologia-informatica.es/metales/
imagen tomada de: http://www.tecnologia-informatica.es/metales/
A continuación encontramos dos mapas conceptuales de los metales ferrosos y no ferrosos con sus respectivas divisiones y ejemplos.
MAPAS CONCEPTUALES SOBRE CERÁMICOS Y POLÍMEROS
Primeras sesiones de la asignatura
Por: Daniel Herrera
Recordando conceptos importantes de las asignaturas Materiales Industriales I y II.
1. Diagrama hierro carbono: fundamental para entender los procesos de conformación del acero así como sus tipos y composición metalográfica:
En el anterior diagrama encontramos el tradicional diagrama hierro carbono con los tipos de acero en función de la temperatura y el porcentaje de carbono.
El anterior diagrama es una fotografía del diagrama hierro carbono elaborado por el ingeniero John Iván Hernández en la asignatura de Materiales Industriales II. Del anterior diagrama no son sólo resaltables elementos como el pulso y orden del ingeniero Hernández sino también una breve explicación de los tratamientos térmicos que en el diagrama se encuentran indicados.
Revenido: Se realiza con el propósito de aliviar tensiones sacrificando un poco la dureza.
Recosido de recuperación: ordena dislocaciones en forma de granos. Elimina esfuerzos residuales nacidos de la deformación plástica en frío, se logra ordenar las dislocaciones en forma de granos técnicamente denominados: estructura subgranular poligonizada.
Recosido de recristalización: Los granos toman la forma y tamaño de las dislocaciones. La ductilidad y la dureza se "descuelgan". El objetivo es devolver a un material la ductilidad.
