Propiedades y Procesos de los Materiales Metálicos: Una Visión Detallada

Propiedades de los Materiales Metálicos

Propiedades Químicas

Los factores que más perjudican a los materiales metálicos son la corrosión y la erosión. Cuando un material se oxida, el óxido se deposita en la superficie y el proceso continúa atravesando la capa de óxido formada (difusión). La corrosión ocurre cuando la oxidación de un material se produce en un ambiente húmedo o en presencia de otras sustancias agresivas; el óxido se disuelve y, eventualmente, la superficie se desprende. No se manifiesta de forma regular, sino que existen diferentes puntos donde el ataque es mayor, lo que da lugar a la formación de fisuras que pueden derivar en roturas por fatiga.

Propiedades Físicas

Propiedades relacionadas con la disposición espacial de los átomos:

• Densidad: Relación entre la masa y el volumen.
• Peso específico: Relación entre el peso de una materia y el volumen que ocupa (N/cm³).
• Resistividad: Resistencia eléctrica que un material ofrece al paso de la corriente por un elemento de 1 m de longitud y 1 m² de sección.
• Propiedades Térmicas: Relacionadas con la dilatación.

Propiedades Magnéticas

Comportamiento de los materiales al ser sometidos a un campo magnético exterior:

• Diamagnéticos: Se oponen al campo magnético exterior, de forma que en su interior el campo magnético es débil (Bi, Au, Ag, Cu, Na, N).
• Paramagnéticos: El campo magnético es ligeramente mayor que el aplicado (Al, Mg, Pt, O).
• Ferromagnéticos: El campo magnético interior es mayor que el exterior (Fe, Co, Ni), y sus aleaciones, óxido de hierro (utilizados en circuitos eléctricos).

Propiedades Ópticas

Al incidir la luz sobre la superficie de un cuerpo, parte se refleja, otra se transmite y otra se difunde. Se clasifican en:

• Opacos: Absorben y no reflejan la luz, impidiendo su paso.
• Transparentes: Transmiten la luz, permitiendo ver a través de ellos.
• Translúcidos: Dejan pasar la luz, pero impiden ver nítidamente a través de ellos.

Propiedades de Fabricación

Informan sobre la posibilidad de someter un material a una determinada operación industrial:

• Maleabilidad: Capacidad de un material para ser estirado en láminas sin romperse.
• Ductilidad: Capacidad de un material para ser estirado en hilos.
• Forjabilidad: Capacidad de un material para ser moldeado mediante calentamiento y golpes.
• Maquinabilidad: Capacidad de un material para ser sometido a procesos de arranque de viruta.
• Soldabilidad: Capacidad de un material para ser soldado (unión de dos piezas).

Propiedades Mecánicas

Indican cómo se comporta un material bajo fuerzas exteriores (compresión, tracción, etc.).

Ensayo de tracción: Uno de los ensayos más importantes. Consiste en estirar una probeta de dimensiones normalizadas en una máquina a velocidad lenta y constante, obteniendo una curva de tensión-deformación.

• Tensión: Fuerza aplicada a la probeta por unidad de sección.
• Tenacidad: Capacidad de un material para almacenar energía en forma de deformación plástica antes de romperse. Se mide comúnmente con el péndulo de Charpy, que consiste en lanzar una bola sujeta a un hilo desde cierta altura contra la probeta por el lado opuesto a la entalla.
• Alargamiento unitario o deformación: Incremento de la longitud de la probeta, expresado en tanto por uno.

Zona elástica: La relación tensión-deformación es lineal y cumple la ley de Hooke.

Zona plástica: Los alargamientos son permanentes. La curva tiene menos pendiente, ya que se requieren fuerzas menores para lograr grandes alargamientos. La fuerza máxima dividida por la sección inicial de la probeta determina la resistencia a la tracción. En este punto termina la zona elástica; a partir de ahí, se considera que la probeta está rota.

Estricción: A partir de la rotura, la deformación se localiza en una zona determinada de la probeta. La tensión disminuye y la probeta termina por romperse.

Diagrama de Fases

Representaciones de cómo las aleaciones cambian de fase al variar la temperatura.

• Fase: Cada una de las partes de un sistema con características físicas y químicas homogéneas.
• Componente: Sustancias químicas que constituyen las fases.
• Grados de libertad: Número de variables independientes en un sistema. Es el número de valores que se pueden asignar libremente antes de que el resto de las variables tomen un valor automáticamente.

Metales Ferrosos

Los metales ferrosos o férricos contienen hierro como base. El hierro puro es dúctil, maleable y magnético. Es buen conductor del calor y la electricidad, pero químicamente activo: expuesto al aire, se corroe formando orín.

Tipos de Metales Ferrosos

• Hierro industrial: Contenido en carbono menor al 0,03%. Características mecánicas inadecuadas, por lo que no se utiliza industrialmente.
• Acero: Contenido en carbono entre 0,03% y 1,67%. A mayor contenido de carbono, mayor dureza y resistencia a la tracción, pero menor ductilidad y mayor fragilidad. Son dúctiles, maleables, y su tenacidad disminuye a medida que aumenta el carbono. Su resistencia mecánica, dureza y fragilidad aumentan, la soldabilidad disminuye y se oxidan fácilmente (excepto los inoxidables).
  • Aceros al carbono: Aquellos cuyo contenido en otros elementos no supera ciertos porcentajes.
  • Aceros aleados: Superan algunos de esos límites.
    • Azufre: Confiere fragilidad; se contrarresta añadiendo manganeso.
    • Cromo: Aumenta la dureza, resistencia a la corrosión y tenacidad.
    • Níquel: Componente del acero inoxidable, aumenta la resistencia a la tracción.
    • Plomo: Facilita el mecanizado en procesos de arranque de viruta.
    • Wolframio: Proporciona gran dureza a todas las temperaturas (aceros rápidos).
    • Cobalto: Aumenta la dureza en caliente, resistencia a la corrosión, oxidación y desgaste.
• Fundición: Porcentaje de carbono entre 1,67% y 6,67% (las aleaciones superiores al 5% no tienen uso industrial). Fácilmente fusibles, se utilizan para obtener piezas de moldeo. No son dúctiles ni maleables. Fabricación y mecanización más sencillas que el acero. Características mecánicas aceptables y bajo costo.

Proceso Siderúrgico

Procesos necesarios para obtener un metal férreo (aleación de hierro) con características específicas.

• Siderurgia: Metalurgia del hierro y sus derivados.
• Metalurgia: Ciencia que estudia las operaciones para extraer metales de las menas (parte inútil del mineral).

Obtención del Hierro

El mineral se extrae de las minas, se tritura y se separa la mena (parte útil) de la ganga. Los óxidos de hierro se reducen, los carbonatos se calcinan y los sulfuros se tuestan para obtener hierro por reducción.

Obtención del Carbón de Coque

El carbón actúa como combustible y reductor de los óxidos de hierro. Se obtiene industrialmente eliminando la materia volátil de la hulla y aglutinándola. La pasta de carbón se introduce en baterías de hornos de coque y se somete a un proceso de coquizado, calentando el carbón por encima de 1000 °C. Se obtienen granos de hulla separados de la materia volátil.

Obtención del Arrabio

Se obtiene en un alto horno, utilizando:

• Aportadores de hierro: Materia prima de la que se obtiene el hierro metálico.
• Fuel: Combustible que se inyecta con el aire caliente.
• Carbón de coque: Sustancia que provoca la reducción del mineral de hierro.
• Escoria: Formada por fundentes, impurezas de los minerales y cenizas del coque. Se utiliza en firmes de carreteras y cementos.
• Gas de alto horno: Se utiliza como combustible después de ser depurado (calentamiento en laminación en caliente, hornos de coque, etc.).

Colada Convencional

Trasvase del acero procedente de la metalurgia secundaria o del convertidor a moldes para su solidificación.

• Directa: Los moldes se llenan sucesivamente.
• En sifón: Los moldes se llenan simultáneamente.
• Cuadrada: Los tochos resultantes se utilizan para fabricar carriles, perfiles y redondos.
• Rectangular: Las petacas resultantes se utilizan para obtener chapas.

Colada Continua

Solidificación del acero en productos de sección constante.

• Desbastes planos: Para fabricación de chapas.
• Desbastes de sección cuadrada: Para fabricación de carriles y perfiles.
• Palanquillas de sección cuadrada: Para fabricación de redondos.

Metalurgia Secundaria

Modificación de la composición del acero para adaptarlo a necesidades específicas. Incluye los siguientes tratamientos:

• Ajuste de la composición: Adición de elementos y soplado de gas inerte para homogeneizar el baño.
• Desgasificación: Uso de una campana conectada al vacío para extraer gases del metal.
• Desulfuración: Inyección de un producto desulfurante y soplado de gas para eliminar el azufre.
• Calentamiento: Descarga de un arco eléctrico para elevar la temperatura y obtener un acero con las características deseadas.

Laminación del Acero en Caliente

Proceso de laminación para dar forma al acero. Los productos de colada convencional requieren un proceso de desbaste previo. Los desbastes de colada continua se envían a trenes de laminación:

• Tren de alambrón: Utiliza palanquillas de colada continua o convencional.
• Tren de perfiles: Utiliza desbastes cuadrados de colada continua o convencional para obtener perfiles y carriles.
• Tren de chapa gruesa: Utiliza desbastes planos de colada continua para obtener chapa para calderería pesada o fabricación naval.

Recubrimientos

• Recubrimiento por inmersión: Se calienta la banda de acero y se pasa por un tanque con el material de recubrimiento fundido.
• Recubrimiento por electrólisis: La banda de acero se recubre del metal protector. Si el metal es estaño, se obtiene hojalata; si es zinc, se obtiene acero galvanizado.

Componentes del Alto Horno

• Tragante: Zona superior por donde se introducen los materiales sólidos. Tiene un sistema doble de cierre para evitar la salida de gases (dos campanas o dos depósitos con válvulas).
• Cuba: Zona más amplia. Los materiales se secan, calientan y comienza la reducción.
• Vientre: Zona de mayor diámetro. Ocurre la mayor parte de la reducción.
• Etalajes: Contienen tuberías por donde se inyecta aire caliente y fuel. Aquí ocurre la reducción final y la formación de escoria.
• Crisol: Parte más baja. Se extrae el arrabio y la escoria a través de la piquera.