Propiedades y Aplicaciones de Metales: Hierro, Acero y Otros Materiales Metálicos

Metales: Introducción y Propiedades Generales

Los metales se pueden clasificar en principales (como hierro, aluminio) y auxiliares (como plomo, zinc, cobre).

Obtención

Aparecen en la naturaleza generalmente en forma de óxidos o sales. Se denomina mena a la combinación metálica natural. Al conjunto de productos impurificadores se le llama ganga. El mineral es la suma de la mena más la ganga.

La metalurgia es el conjunto de procedimientos y técnicas para extraer, elaborar y aplicar los metales. La siderurgia se enfoca específicamente en la elaboración del hierro y sus aleaciones.

Propiedades Generales

• Límite elástico: Es el límite entre la elasticidad (capacidad de recuperar la forma tras un esfuerzo) y la plasticidad (deformación permanente). De esta propiedad derivan:
  • Ductilidad: Capacidad de formar hilos.
  • Maleabilidad: Capacidad de formar láminas.
• Regularidad y constancia de comportamiento.
• Elevada resistencia mecánica.
• Aptitud para soportar solicitudes mecánicas (tracción, compresión, etc.).
• Los metales suelen trabajar bien tanto a compresión como a tracción.
• Son generalmente sólidos a temperatura ambiente (excepto el mercurio), densos y pesados.

Hierro y Acero (Materiales Siderúrgicos)

Hierro

Dentro del proceso de la siderurgia, se obtiene en altos hornos el lingote de fundición o arrabio. El hierro no puede utilizarse tal y como se extrae de los altos hornos porque contiene un alto porcentaje de carbono e impurezas, lo que resulta en un producto frágil y quebradizo.

Clasificación de Materiales Siderúrgicos

Se llama material siderúrgico a toda aquella sustancia de origen férrico que ha sufrido un proceso mecánico o térmico. Se dividen principalmente en:

• Ferroaleaciones: Aleaciones de hierro con otros elementos (distintos del carbono o en proporciones controladas junto a él) para conferir propiedades específicas.
• Ferrocarbonos: Aleaciones de hierro y carbono, que incluyen las fundiciones y los aceros.

Fundición o Hierro Colado

Es una aleación de Fe+C cuyo contenido de carbono es relativamente alto (típicamente > 2%). El hierro colado se obtiene mediante un segundo proceso de fusión del arrabio en hornos específicos (como el horno de cubilote).

Características y Usos:

• Utilizado históricamente en estructuras, radiadores, bancadas de máquinas.
• Metal relativamente duro pero quebradizo.
• Generalmente no soldable (o con dificultad).
• Resistencia a compresión superior a la de tracción.

Ventajas:

• Relativamente barato.
• Baja temperatura de fusión comparada con el acero.
• Buena colabilidad (moldeado fácil).

Desventajas:

• Fragilidad.
• Falta de uniformidad en comparación con aceros.

El Acero

Es una aleación de hierro y carbono con un contenido en carbono más bajo que la fundición (típicamente < 2%). Su densidad aproximada es de 7850 kg/m³ (7.85 t/m³).

Clasificación según Composición Química:

• Aceros al carbono: El carbono es el principal elemento aleante después del hierro.
• Aceros de aleación: Contienen otros elementos (cromo, níquel, manganeso, vanadio, molibdeno, plomo, etc.) añadidos intencionadamente para mejorar propiedades específicas (resistencia, dureza, tenacidad, resistencia a la corrosión, etc.).
  • Ejemplos: Aceros aleados con cromo o níquel (aceros inoxidables), con manganeso (aceros resistentes al desgaste), con vanadio (aceros para herramientas), con plomo (aceros de fácil mecanización).

Clasificación según Proceso de Elaboración y Conformado:

• Acero fundido: Obtenido directamente por moldeo.
• Acero forjado: Conformado mediante golpes o presión en caliente o frío.

Procesos Comunes de Conformado:

• Desbastado y perfilado: Procesos iniciales para dar forma básica.
• Prensado: Conformado mediante presión.
• Laminado: Paso del metal entre rodillos para reducir espesor y obtener perfiles (vigas, chapas). Incluye procesos como:
  • Extrusión: Hacer pasar el metal a presión por una matriz con la forma deseada.
  • Trefilado: Estirar el metal a través de una hilera para obtener alambres o barras de menor sección.

Tipos Específicos de Acero Estructural y Productos

Viga Alveolada o Viga Boyd

Viga de acero a la que se le realizan aberturas (alvéolos) en el alma para aligerarla y aumentar su canto (altura) y, por tanto, su inercia y rigidez. Adecuada para grandes luces (distancia entre apoyos) con cargas no excesivas. Conceptualmente relacionada con las vigas de celosía.

Perfiles y Productos Comunes de Acero

Perfiles Estructurales (Hierros Universales)

Vigas con formas normalizadas (IPN, IPE, HEB, UPN, etc.) usadas en construcción.

Varillas Circulares

• Diámetro menor a 5 mm: Se consideran alambres.
• Diámetro mayor: Se denominan redondos o barras (usadas en hormigón armado, ejes, etc.).

Telas Metálicas y Mallazos

Entramados de alambres o barras soldados o tejidos, usados como refuerzo (mallazo en hormigón) o cerramiento (telas).

Productos Rectangulares

• Fleje laminado: Tira delgada, espesor típico entre 1 y 4 mm.
• Pletina: Barra plana, espesor típico entre 4 y 10 mm.
• Llanta: Barra plana más gruesa, espesor típico entre 10 y 50 mm.
• Platabandas: Planchas anchas y gruesas, a menudo usadas para reforzar o unir otros perfiles mediante atornillado, remachado o soldado.

Chapas

Productos planos de acero con anchura generalmente superior a 400-600 mm y diversos espesores. Pueden ser chapa negra (laminada en caliente, sin tratamiento superficial especial) o revestida (galvanizada, pintada, etc.).

Elementos de Unión

• Roblones / Remaches
• Pasadores y Tornillos
• Clavos
• Cables (formados por alambres trefilados)
• Cadenas

Otros Metales y Tratamientos

Galvanización

Proceso de recubrimiento del acero (principalmente) con zinc para protegerlo de la corrosión. El zinc actúa como ánodo de sacrificio. El espesor del recubrimiento es un criterio clave para su durabilidad y calidad.

Tipos Comunes de Galvanización:

• Electrolítico (Zincado): Recubrimiento fino obtenido por electrólisis.
• Metalizado con zinc (Proyección térmica o Schoopado): Proyección de zinc fundido sobre la superficie.
• Recubrimiento con pinturas ricas en zinc: Aplicación de pinturas con alto contenido de polvo de zinc.
• Galvanizado por inmersión en caliente: Inmersión de la pieza de acero en un baño de zinc fundido. Es el método que suele proporcionar mayor espesor y durabilidad.

Acero Inoxidable

Es todo acero aleado en cuya composición interviene un mínimo de aproximadamente 10.5-13% de cromo. El cromo forma una capa de óxido superficial muy fina, adherente e invisible (capa pasiva) que protege al metal de la corrosión. Cuanto más cromo (y otros elementos como níquel o molibdeno), mayor es la resistencia a la oxidación y a diferentes agentes corrosivos.

Tipos Principales (según aleantes):

• Aceros inoxidables al cromo (ferríticos y martensíticos).
• Aceros inoxidables al cromo-níquel (austeníticos, los más comunes).
• Aceros inoxidables al cromo-níquel-molibdeno (austeníticos con mayor resistencia a la corrosión por picaduras, especialmente en ambientes con cloruros).

Propiedades Destacadas:

• Resistencia a la corrosión.
• Aspecto estético atractivo.
• Bajo coeficiente de dilatación lineal (en algunos tipos).
• Conductividad térmica relativamente baja comparada con aceros al carbono.

Utilización Común:

• Decoración, arquitectura.
• Menaje de cocina, electrodomésticos.
• Industria química, alimentaria, farmacéutica.
• Equipamiento médico y quirúrgico.

Acero Corten (Acero Autopatinable)

Es un tipo de acero de baja aleación (con cobre, cromo, níquel, fósforo) que presenta una alta resistencia a la corrosión atmosférica. Bajo condiciones cíclicas de humedad y sequedad, desarrolla una pátina (capa de óxido superficial) delgada, densa, adherente y estable de color rojizo-parduzco que protege al metal base de la corrosión posterior. Combina buena resistencia mecánica con un aspecto superficial característico muy apreciado en arquitectura y escultura.

Aluminio

Metal de color blanco azulado brillante.

Características:

• Estructura generalmente cristalina (no fibrosa).
• Blando y dúctil.
• Muy ligero (densidad aprox. 2.7 t/m³).
• Maleable.
• Buen conductor eléctrico y térmico.
• Resistente a la corrosión (forma una capa de óxido protectora).
• Puede unirse por remachado, soldadura (con técnicas específicas), pegado, etc.

Tratamientos Superficiales Comunes:

• Decapado: Limpieza química de la superficie.
• Pasivado/Oxidado: Tratamiento para mejorar la capa de óxido natural.
• Pintado o Lacado: Aplicación de recubrimientos orgánicos.
• Anodizado: Proceso electrolítico que crea una capa de óxido de aluminio más gruesa, dura y protectora, que puede ser coloreada.

Plomo

Metal pesado de color blanco grisáceo brillante recién cortado, que se empaña rápidamente al aire.

Características:

• Muy pesado (densidad aprox. 11.3 t/m³).
• Muy dilatable por el calor.
• Muy blando y maleable (fácil de doblar y conformar).
• Relativamente barato.
• Fácil de alear.
• Excelente aislante acústico y de radiaciones (rayos X, gamma).
• Resistente a la corrosión por muchos ácidos (ej. sulfúrico).
• Nota: Es tóxico, por lo que su uso está restringido en muchas aplicaciones.

Zinc

Metal de color gris azulado brillante.

Características:

• Maleable (especialmente en caliente).
• Densidad de 7.1 t/m³.
• Se oxida con rapidez en el aire húmedo, formando una capa grisácea de carbonato básico de zinc que lo protege de corrosión posterior.
• Aleado con el cobre se obtiene el latón.
• Se extrae principalmente del mineral llamado blenda (sulfuro de zinc).

Aplicaciones Comunes:

• Galvanizado (principal uso, para proteger el acero).
• Fabricación de aleaciones (latón, zamak).
• Planchas para cubiertas, canalones, bajantes.
• Pilas secas (ánodo).
• Clavos y piezas pequeñas resistentes a la intemperie.

Cobre

Metal de color rojo pardo brillante característico.

Características:

• Muy dúctil y maleable (se trabaja fácilmente en forma de plancha, tubo, hilo).
• Excelente conductor eléctrico (principal aplicación) y térmico.
• Relativamente resistente a la corrosión (forma una pátina verdosa protectora).
• Aleado con estaño forma el bronce.
• Aleado con zinc forma el latón.

Otros Metales de Interés Industrial

• Cromo: Usado principalmente en aleaciones (aceros inoxidables, superaleaciones, aceros para herramientas) y en recubrimientos superficiales duros y brillantes (cromado).
• Níquel: Usado en aleaciones (aceros inoxidables, aleaciones base níquel resistentes al calor y la corrosión, monedas), recubrimientos (niquelado) y como catalizador.
• Estaño: Usado principalmente en aleaciones (bronce, soldaduras blandas) y como recubrimiento protector del acero (hojalata).

Notas Adicionales

• El acero se puede obtener a partir de dos materias primas principales: el arrabio (hierro de primera fusión obtenido del mineral en instalaciones dotadas de alto horno) y chatarras férricas (reciclaje de productos de hierro y acero).
• El hierro en estado puro (hierro dulce) es relativamente blando y no posee la resistencia y dureza necesarias para la mayoría de las aplicaciones estructurales o mecánicas de uso común. Por ello, casi siempre se utiliza aleado, principalmente con carbono (para formar fundiciones y aceros) y/u otros elementos.