5.- CLASIFICACIÓN DE LOS METALES
5.- CLASIFICACIÓN DE LOS METALES.
Existen varias formas de clasificar a los metales. Una de ellas es utilizada en la industria de la minería y resume los metales en dos grandes grupos:⦁ Metales Ferrosos: En líneas generales, son aquellos que están compuestos mayoritariamente por hierro (Fe) y sus aleaciones. El hierro dulce y el hierro forjado están en esta clasificación, además del acero y las fundiciones. Tienen la ventaja de ser relativamente económicos de extraer o fabricar. Lo malo es que reaccionan fácilmente con el oxígeno, por lo que forman óxidos.
⦁ Metales no Ferrosos: Aquí podemos nombrar los metales pesados, los metales no pesados, los metales ligeros y las aleaciones distintas a los aceros, como el latón. Su principal característica es la ausencia casi total de hierro. Estos incluyen a metales básicos (zinc, aluminio, estaño, cobre, etc.), metales preciosos (plata, oro y platino) y metales poco comunes (bismuto, berilio, tungsteno, etc.). Se subclasifican en Metales Pesados, Metales Ligeros y Metales Ultraligeros.
5.1.- METALES FERROSOS: CLASIFICACIÓN DE LOS PRODUCTOS SIDERÚRGICOS
5.1.1.- INTRODUCCIÓN.
Las aleaciones férreas, fundamentalmente el acero, son las de mayor interés para la construcción por tres causas:⦁ En la corteza terrestre abundan los compuestos de hierro.
⦁ Las técnicas de fabricación son relativamente económicas.
⦁ Las aleaciones férreas son extraordinariamente versátiles.
De forma general se definen las aleaciones férreas como aleaciones en las que el principal componente es el hierro, pero que pueden contener otros componentes como C, Cr, Si, Mn, Ti, etc. Sin embargo, de entre todos los aleantes, el carbono, por los procesos de fabricación, siempre está presente. Además, este elemento influye de una manera muy importante en las propiedades de las aleaciones férreas. Es por esto que el contenido en carbono se emplea en la definición de distintos grupos de aleaciones férreas, distinguiéndose:
⦁ Hierro: de 0 % a 0,1 % de C
⦁ Acero: de 0,1 % a 2 % de C
⦁ Fundición: de 2 % a 6,67 % de C
Existe un grupo más, que se compone de los aceros en los que se introducen cantidades de otros elementos de aleación. A éstos se les suele denominar aceros aleados y en caso de que el hierro no sea el elemento mayoritario, simplemente aleaciones.
5.1.2.- CLASIFICACIÓN SIDERÚRGICA. NORMATIVA DE APLICACIÓN
5.1.2.1- ACERO AL CARBONO
El acero al carbono se define como una aleación hierro-carbono en la que el porcentaje de carbono es inferior al 2%.
Puede presentar adicionalmente pequeñas cantidades de otros elementos
en proporciones tales que no influyen sustancialmente en sus
propiedades.
Existen múltiples clasificaciones para los distintos productos de acero que la industria siderúrgica es capaz de fabricar:
⦁ Según el uso.
⦁ Según la composición química.
⦁ Según la producción.
Para clasificarla de manera general existen varias normas europeas que armonizan en toda la Unión Europea las definiciones y designaciones de los aceros. De todas ellas, dos son de carácter básico:
⦁ EN 10020: Definición y clasificación de los tipos de acero.
⦁ EN 10027: Designación de los tipos de acero.
A nivel nacional, existen dos regulaciones sobre la aplicación estructural del acero, las instrucciones EAE Y EHE; la primera aborda las estructuras metálicas y la segunda las construidas con hormigón armado y pretensado.
En estas normas se identifican los aceros admisibles en el territorio
español y son las que permiten que los distintos agentes que intervienen
en la construcción puedan emplear acero de una forma cómoda y segura.
España sufre un retraso importante en la incorporación de los Eurocódigos
y ello está afectando negativamente la competitividad de nuestras
empresas, la productividad de nuestros profesionales y el
aprovechamiento académico de los estudiantes de nuestras Escuelas
Técnicas Superiores. Las normas que se aplican actualmente en España
para el proyecto de estructuras siguen siendo las nacionales (EHE, EAE,
NCSE-02, etc.) que, si bien están en gran medida inspiradas en los
Eurocódigos, no son éstos mismos y se apartan del consenso europeo.
Estas
normas europeas definen de una manera uniforme, en toda Europa, el
proyecto, ejecución y control de elementos estructurales. De entre estas
normas, sólo algunas afectan a los materiales metálicos:
⦁ Eurocódigo 2: Proyecto de estructuras de hormigón (armado y pretensado)
⦁ Eurocódigo 3: Proyecto de estructuras de acero.
⦁ Eurocódigo 4: Proyecto de estructuras mixtas de hormigón y acero.
Los aceros al carbono se suelen clasificar por su contenido en carbono, ya que éste es el elemento que aporta mayor variabilidad de las propiedades, así se puede distinguir:
- Acero bajo en carbono (hasta 0,25 % de C): Este tipo de acero aúna propiedades muy interesantes, una resistencia mecánica aceptable, ningún problema de soldadura, soporta bien el doblado y el mecanizado y además, su proceso de producción es el más económico. Por estas razones, es el más empleado y constituye la mayor parte del acero destinado a la construcción. Aplicaciones típicas de este acero son estructuras metálicas, barras corrugadas, perfiles, etc.
- Acero medio en carbono (entre 0,25 % y 0,6 % de C): Se trata de un material que puede presentar un amplio abanico de pares resistencia-ductilidad. Por ello presenta múltiples aplicaciones, entre las que destaca la fabricación de ruedas y carriles, engranajes y en general, cualquier elemento que necesite combinación de alta resistencia, ductilidad resistencia la desgaste.
- Acero alto en carbono (entre 0,6 % y 1,4% de C): Se emplean habitualmente tratados mediante temple revenido, lo que conduce a unos valores de resistencia y dureza muy altos, que llevan aparejado un valor bajo de ductilidad. Este tipo de acero de alta resistencia se emplea principalmente en la fabricación de herramientas y piezas que sufren mucho desgaste. En el ámbito de la construcción, su uso más destacable es el de alambres y cordones de pretensado, así como cables estructurales.
5.1.2.2- ACERO ALEADO
La adición de aleantes amplia mucho el campo de aplicación de los aceros, ya que modifica sus propiedades, su microestructura y la respuesta ante los tratamientos térmicos. A continuación, se describen dos de los aceros aleados comunes en construcción:⦁ Acero inoxidable: Los aceros inoxidables representan un grupo muy importante de los aceros aleados. El Cr, principal aleante en estos aceros, está presente al menos en un 11% y les confiere resistencia a la corrosión, aunque esta capacidad se mejora con la adición de Ni y Mo. La soldadura de los aceros inoxidables es compleja. Se puede realizar en taller, pero en obra suele ser difícil, por lo que en construcción civil, el acero inoxidable se suele trabajar mediante piezas atornilladas.
⦁ Acero corten: El acero autopatinable o corten tiene la capacidad, al igual que el inoxidable, de formar una capa pasivante que limita la corrosión. Esta propiedad viene dada por los elementos de aleación que contiene: carbono, silicio, manganeso, níquel, cromo y cobre, con un contenido total en aleantes menor al 5%. Este acero desarrolla un aspecto corroído al formarse la capa de óxido en superficie.
5.1.2.3- FUNDICIÓN
Las fundiciones se definen como aleaciones férreas con un porcentaje de carbono superior al límite de saturación de la austenita del 2,1%,
aunque lo habitual es que presenten un contenido de carbono comprendido
entre el 3 y el 4,5 %. Presentan una baja temperatura de fusión, que
unida a una baja retracción, hace que las fundiciones se empleen,
normalmente, en la fabricación de piezas moldeadas.
⦁ Fundición gris: Se trata de una fundición en la que se añade entre un 1 y un 3% de Si, lo que facilita la grafitización, es decir, la transformación de Fe3C en grafito. Este tipo de fundición tiene una elevada fluidez. Además, presenta una escasa retracción al solidificar, por lo que es ideal para el moldeo.
⦁ Fundición maleable: Estas fundiciones alcanzan resistencias de 300 MPa con un 6 % de elongación. Aplicaciones habituales son elementos complejos: piezas de máquinas, engranajes, etc.
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| Tren de Válvulas de un Motor V12 |
⦁ Fundición dúctil: Se consigue la grafitización debido a la adición de magnesio o de cerio en la composición de la fundición. Actualmente, la fundición dúctil es la más empleada. Sus aplicaciones son piezas moldeadas como arquetas, válvulas, cuerpos de bombas, etc.
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| Acoplamiento de Engranaje Helicoidal |
5.1.3.- SISTEMAS DE DESIGNACIÓN DE ACEROS
La norma europea EN 10027 se encarga de la designación de los tipos de acero. Consta de dos partes, la primera describe la designación simbólica de los aceros y la segunda establece un sistema de numeración para designar los tipos y grados de éstos.5.1.3.1- DESIGNACIÓN SIMBÓLICA
Existen dos sistemas de codificación simbólica, uno relacionado con el uso final del producto de acero y otro relativo a su composición química.
En
el código simbólico se emplea el uso como criterio de clasificación,
cada acero tiene una codificación que se compone de una letra que
identifica la aplicación del acero y una serie de parámetros resistentes
o informativos respecto de sus propiedades.
Designación de los aceros según sus aplicaciones EN 10027-1
Existe
otra clasificación simbólica relacionada con la composición química. En
esta clasificación se especifica la cantidad de carbono del acero y la
de los aleantes principales.
5.1.3.2- DESIGNACIÓN NUMÉRICA
La designación numérica es una designación que cataloga los aceros comerciales según sus posibles aplicaciones. La designación, tal y como se puede ver en la Tabla, se compone de un número,
1
(acero), seguido de un punto, dos números relativos al grupo al que
pertenece el acero y otros dos que indican el número de orden del acero
según variaciones en su composición, en los tratamientos térmicos, etc.
Existen otras nomenclaturas aparte de las europeas, las AISI, UNS, SAE y AASTM que, además, llevan más tiempo instauradas, por lo que son internacionalmente aceptadas.
Existen otras nomenclaturas aparte de las europeas, las AISI, UNS, SAE y AASTM que, además, llevan más tiempo instauradas, por lo que son internacionalmente aceptadas.
5.2.- METALES NO FERROSOS. PROPIEDADES Y UTILIZACIÓN
5.2.1.- INTRODUCCIÓN
Comprende todo el resto de metales y aleaciones, pero centrándose en tres metales: el cobre, el aluminio y el zinc,
que son los no férreos más empleados en ingeniería. Adicionalmente se
realiza una breve introducción a dos grupos de metales y aleaciones: los
refractarios y los ligeros.
5.2.2.- COBRE
El cobre es un metal de transición con valores de conductividad térmica y eléctrica muy elevados,
únicamente superados por los de la plata. En su forma pura, el cobre
tiene una densidad de 8,962 T/m³ y un punto de fusión de 1083 ºC.
Además, presenta una baja resistencia, pero es muy dúctil y maleable.
Se
utiliza como metal puro, pero se suele alear para mejorar sus
características. Las aplicaciones prácticas del cobre aprovechan sus
propiedades más destacables, su alta conductividad, tanto eléctrica como
térmica, su maquinabilidad y sus propiedades químicas. Este metal, en
contraposición con las aleaciones férreas, tiene unas aplicaciones
resistentes mucho menores.
5.2.2.1- OBTENCIÓN DEL COBRE
Se
puede encontrar cobre nativo en forma de filones en algunos lugares,
pero con mayor frecuencia se encuentra como pepitas y otras formas
distribuido entre las rocas.
Además,
el cobre se puede obtener de diferentes compuestos naturales. Se puede
encontrar combinado en forma de sulfuros (novelita y calcocita),
carbonatos (malaquita y azurita) y óxidos (cuprita y óxido de cobre
negro). Siendo la calcopirita (S2FeCu), un sulfuro de cobre-hierro, el
principal mineral del que se obtiene el cobre.
Existen
dos técnicas de obtención del cobre a partir de sus minerales, la vía
húmeda, partiendo de sulfuros, y la vía seca, cuando se parte de
sulfatos o cloruros.
5.2.2.2- PROPIEDADES Y UTILIZACIÓN
A la intemperie el cobre se cubre con una capa de óxido de color verdoso, que es poco porosa y que, por tanto, previene la penetración de la oxidación hacia el interior. Debido a esta buena resistencia a la corrosión, combinada con su buena maquinabilidad y soldabilidad, se considera que el cobre es un material ideal para tuberías, sin embargo, esta aplicación se ve limitada por el alto precio de este metal.
Aunque existen muchas aplicaciones del cobre puro y de sus aleaciones, la aplicación por excelencia es el empleo masivo en la fabricación de cables eléctricos.
5.2.2.3- ALEACIONES DE COBRE
Las aleaciones de cobre más utilizadas en construcción son los bronces y los latones, los cuales varían mucho de propiedades en función de los porcentajes de aleantes:⦁ Latón: Es una aleación de cobre y zinc, situándose el porcentaje de zinc entre el 3 y el 45%. En ocasiones se añaden pequeñas cantidades de otros elementos. Es resistente a la corrosión y tiene mejores propiedades mecánicas que el cobre. Se emplea en diversos campos: objetos ornamentales, armamento, tubos de condensador, etc.
⦁ Bronce: Se trata de una aleación de cobre y estaño que se utiliza para engranajes, válvulas, etc. Añadiéndole fósforo, se obtiene el broce fosforoso, una aleación muy resistente al desgaste que se utiliza en motores y máquinas marinas. Con otros elementos, como plomo, aluminio, berilio o silicio se mejoran ciertas propiedades concretas.
⦁ Alpaca: Es una aleación de zinc, cobre y níquel. Se emplea en la fabricación de vajillas, cremalleras, bisutería e instrumentos quirúrgicos.
5.2.3.- ALUMINIO
El aluminio es un metal de aspecto gris plateado que por su ligereza, resistencia a la corrosión y su alta conductividad térmica y eléctrica, tiene un gran número de aplicaciones.
Es
un metal ligero, con una densidad de tan sólo 2,7 T/m³ y además tiene
como punto de fusión 660ºC, un valor muy bajo, lo que limita en cierta
medida su campo de aplicación.
5.2.3.1- OBTENCIÓN DEL ALUMINIO
El
aluminio es el metal más abundante en la corteza terrestre, con una
presencia del 8,07 %, aunque la proporción de aluminio válido para una
explotación económicamente viable es notablemente superior. Al igual que
el zinc, no se encuentra nunca en estado nativo, siendo la bauxita el
mineral con mayor interés extractivo. Además, las minas existentes
suelen presentar una baja impureza. Si a esto se le une la alta cantidad
de energía precisa para la reducción del metal, se explica su alto coste. Esta desventaja puede verse compensada en cierta medida por la economía de su reciclaje y por su dilatada vida útil.
5.2.3.2- PROPIEDADES Y UTILIZACIÓN
La
buena resistencia a la corrosión se debe a que forma una capa pasiva de
óxido de aluminio que protege el metal de la corrosión atmosférica.
Esta protección puede ser, sin embargo, si el aluminio está en contacto
con compuestos alcalinos. Así no debe ponerse en contacto con el
cemento, yeso o cal en presencia de humedad.
Se
puede mejorar la resistencia a la corrosión de distintas formas. La
técnica más habitual es el anodizado, en el que, por oxidación anódica
se fuerza la oxidación del aluminio, regruesando de este modo la capa de
óxido protector
Existe
una dificultad en la construcción de elementos de aluminio, su
soldabilidad. El metal puro es muy fácil de soldar, dado su bajo punto
de fusión, sin embargo, en cuanto el metal tiene el más mínimo contacto
con la atmósfera, se forma una capa superficial de óxido de aluminio,
que tiene una temperatura de fusión de 2054 ºC. Esta capa debe ser
eliminada o fundida para posibilitar la soldadura.
En el campo de la construcción civil, el
aluminio se emplea en chapas, perfiles estructurales, celosías,
ventanas, puertas, cubiertas, revestimientos exteriores, paneles de
fachadas ligeras, etc. Otro campo de aplicación del aluminio
surge de su conductividad eléctrica, lo que propicia su empleo en los
cables de los tendidos aéreos de transporte de energía. Aunque su
conductividad eléctrica es tan sólo el 60 % de la del cobre, es más
barato y tres veces más ligero, lo que permite una mayor separación de
las torres de alta tensión, disminuyendo así los costes de la
infraestructura.
5.2.4.- ZINC
El
zinc es un metal de transición de color gris azulado, siendo su
principal uso el galvanizado del acero para evitar su corrosión. Tiene
una densidad de 7,14 T/m³ y un punto de fusión de 420 ºC.
5.2.4.1- OBTENCIÓN DEL ZINC
El zinc se halla en la naturaleza combinado en forma de carbonato o sulfuro, y nunca en estado nativo.
La calamina (carbonato) y la blenda (sulfuro) son los minerales de los que se suele extraer el zinc. Existen dos técnicas para obtener zinc a partir del mineral: la vía húmeda y la vía seca. Ambas técnicas emplean la tostación del mineral para transformarlo en óxido de zinc, tras esto, en la vía seca, se reduce el óxido con carbón y en la húmeda, se transforma en sulfato, precipitando luego por electrodeposición.
La calamina (carbonato) y la blenda (sulfuro) son los minerales de los que se suele extraer el zinc. Existen dos técnicas para obtener zinc a partir del mineral: la vía húmeda y la vía seca. Ambas técnicas emplean la tostación del mineral para transformarlo en óxido de zinc, tras esto, en la vía seca, se reduce el óxido con carbón y en la húmeda, se transforma en sulfato, precipitando luego por electrodeposición.
5.2.4.2- PROPIEDADES Y UTILIZACIÓN
El zinc puro es un metal de aspecto brillante, frágil en frío y blando. Expuesto al aire seco es inalterable, pero la humedad lo oxida, formándose una capa pasiva de óxido que lo protege de la corrosión.
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| Láminas de Zinc |
El zinc se emplea en forma pura o ligeramente aleado en cubiertas, canalones, bajantes, depósitos de agua, etc. También sirve como recubrimiento anticorrosivo para el acero y otros metales. Además, entra a formar parte como elemento minoritario en muchas aleaciones.
5.2.5.- METALES REFRACTARIOS
Los metales con temperaturas de fusión extremadamente altas se clasifican como metales refractarios.
En este grupo se incluyen el Niobio (Nb), el Molibdeno (Mo), el
Tungsteno (W) y el Tántalo (Ta). Estos metales tienen temperaturas de
fusión entre los 2468 ºC del Nb y los 3410 ºC del W, la mayor
temperatura de fusión para un metal. Tan altas temperaturas de fusión se
deben a una gran energía de enlace por lo que, además de esta alta
temperatura de fusión, estos materiales presentan alta resistencia y
dureza, tanto a temperatura ambiente como en condiciones de alta
temperatura.
5.2.6.- METALES LIGEROS
Existen varios metales que, por su baja densidad, tienen un amplio campo de aplicación. De estos, los más relevantes son el titanio y el magnesio. También se incluye el aluminio, desarrollado anteriormente.
5.2.6.1- TITANIO
El titanio
tiene una densidad de 4,5 T/m³, una alta temperatura de fusión, 1668
ºC, y una buena resistencia a la corrosión atmosférica. Su gran ventaja,
además de su densidad, es su alta resistencia, con un límite elástico de 1400 MPa.
Los usos más habituales del titanio se sitúan en la industria aeroespacial y, en menor medida, en la construcción de piezas de maquinaria especializada. Una aplicación más es la de prótesis humanas, debido a que es un metal biocompatible muy resistente y poco susceptible a la corrosión.
5.2.6.2- MAGNESIO
El magnesio es un metal de color blanco con una densidad de sólo 1,74 T/m³ y con un punto de fusión de 650 º C. Con él se consiguen las aleaciones industriales más ligeras.
Tiene una propiedad curiosa, en estado puro es inflamable,
característica que pierde al alearlo con Zn, Al o Mn en un porcentaje
total de alrededor del 10%. Su resistencia es baja, 150 MPa y además no
es muy dúctil.
Las
aplicaciones de las aleaciones de magnesio se centran en la industria
aeroespacial y en la electrónica de consumo, por ejemplo, carcasas y
chasis metálicos para móviles, portátiles, etc.