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Materia:

  Química.

Instit

uto

tecnol

ógico

de

Tuxtla

Gutiér

rez,

Chiapas.

Metales, materiales cermicos !aleaciones ms utilizados en la

industria.

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Metales, materiales cermicos ! aleaciones ms

utilizados en la industria.

Los metales son electropositivos (tienden a perder electrones), conducenfácilmente el calor  y la electricidad.En estado sólido los metales tienen estructura cristalina (los átomos estánsituados en los nudos de una red regular y definida)Los metales son isotrópicos (tienen iguales propiedades en todas las direcciones)Los defectos de la red, que provocan una disminución de la resistencia son:Vacancia: falta de átomos dentro de su distribución normalislocaciones: se produce la falta o discontinuidad en la l!nea de átomos(alteraciones en el paralelismo de la estructura)

 "tomos intersticiales: aparecen átomos de elementos de aleaciones con distintaestructura interna.

2. Definiciones básicas

Elasticidad: las deformaciones desaparecen cuando se anula el esfuer#o que lasprovoca$lasticidad: permite que el material tenga deformación permanente sin llegar a larotura%enacidad: energ!a requerida para producir la rotura&esiliencia: energ!a absorbida por el material en un r'gimen elástico

uctilidad: propiedad que permite que el material se deforme antes de llegar a laroturaragilidad: opuesta a la ductilidad, el material se rompe con deformación nula odespreciablealeabilidad: propiedad que permite, por  procesos mecánicos, formar láminasdelgadas sin fracturas%ensión: relación entre fuer#a y superficie

*olidificación de metales:*i el metal está fundido y lo enfriamos lentamente, este enfriamiento es continuo y

uniforme, +asta el momento donde la temperatura se estabili#a y entoncescomien#a la solidificación. uando 'sta termina contin-a con la mismauniformidad, el per!odo de enfriamiento, +asta la temperatura ambiente

*oluciones sólidas:*ustancia cuyos iones constituyentes forman una -nica red cristalina, de formaque los iones del soluto se encuentran ocupando posiciones al a#ar en la celda del

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solvente. La diferencia de tamao entre los iones del soluto y los del metal baseprovoca un endurecimiento de la aleación.*olución sólida sustitucional: el aleante sustituye las posiciones de los iones delmetal base*olución sólida intersticial: el aleante se ubica entre los espacios interiónicos del

metal base

 "leación:isolución (maleables): las mol'culas de los diferentes componentes se me#clanen la masa (no cambian de naturale#a).ombinación (frágiles): formación de nuevas mol'culas, diferentes de las de loscomponentes

*olidificación de aleaciones metálicas:Las curvas de enfriamiento de las soluciones sólidas presentan un intervalo de

solidificación. Entonces e/iste una temperatura de comien#o y una de culminaciónde la solidificación.

iagramas de equilibrio:0 *irven para conocer en todo momento el estado de la aleación partiendo de latemperatura y la composición0 *e construye a partir de las curvas de enfriamiento0 1os suministran:

ases presentes a una determinada temperaturaomposición de cada fase (sólido o l!quido)antidad relativa de fases e/istentes en el campo bifásico (sólido 2 l!quido)

3. Siderurgia

Es la parte de la metalurgia que estudia lo referente a 3ierros, "ceros yundiciones.Los principales minerales de +ierro son:agnetita: 456 de +ierro7/ido f'rrico: 58 6 de +ierro7/idos f'rricos +idratados: son fáciles de reducir 

4. Acero

$ueden ser considerados como aleaciones 3ierro0arbono con agregados eimpure#as naturales como fósforo o a#ufreEl acero está compuesto por 3ierro y carburo de +ierro (ementita)El acero es +ierro descarburado, con una proporción de carbono inferior a 9. 6

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que puede adquirir otras propiedades mediantetratamientos t'rmicos o mecánicos.

$rocesos de conformación del acero:El +ierro colado o arrabio contiene no solamente un e/ceso de carbono

(procedente del carbón que +a servido para reducir el mineral), sino tambi'na#ufre, fósforo y otras impure#as.*u conversión en acero se obtiene mediante afino, l!quido o sólido, o pudelado,que eliminan el e/ceso de carbono y las impure#as indeseables.El afino es una o/idación que se efect-a en los convertidores de ;essemer (paraarrabio sil!ceo y pobre en fósforo) o de t+omas (+ierros fosforosos), en los +ornosde reverbero (martin), en +ornos el'ctricos o en crisoles, seg-n sea lacomposición del +ierro colado y la clase de acero que se desea elaborar.onsiste en inyectar aire u o/!geno, o una me#cla de ambos, en el seno del +ierrofundido (al cual se le agrega a veces c+atarra), con lo que se consuma

la combustión del carbono y otras impure#as presentes en la masa. El uso delo/!geno atmosf'rico (aire) como reductor presenta inconvenientes debidos alelevado contenido de nitrógeno (< 6). alentar in-tilmente toda esa masarepresenta un enorme consumo, limita elvolumen de los convertidores y afectala calidad del acero. "demás limita la proporción de c+atarra que se puedeagregar pues limita tambi'n la capacidad de o/idación. $or todo esto seimplementan modernas t'cnicas de producción de acero al o/!geno.En el procedimiento L , el o/!geno puro (con menos del = 6 de impure#as) esinyectado por una lan#a tubular en la superficie del metal fundido y se obtiene as!

acero de calidad superior al acero martin y más barato. $ara el afino defundiciones fosforosas se aplican los procedimientos L$ y >L$, derivados delanterior, del cual difieren por la adición de cal al metal fundido. *i el contenido enfósforo supera el 8.5 6, se recurre al procedimiento ?aldo, que requiere unconvertidor, no solamente basculante, sino tambi'n rotativo. El c+orro de o/!genoinyectado por la boquilla incide oblicuamente en la superficie del metal fundido. Elconvertidor oscila y gira apropiadamente para que el proceso de descarburaciónsea prolongado y d' tiempo a que se ultime al de la desfosforación, que es máslento.El afino sólido da aceros muy puros y se practica mediante pudelado en +ornos o

crisoles donde el +ierro pastoso (y no l!quido) es descarburado por las escoriasque absorben constantemente el o/!geno e/terior y lo llevan en contacto con elcarbono de la masa gracias a un batido constante de la misma. El crisol y el +ornoel'ctrico dan aceros de alta calidad, por +allarse su composición perfectamentedosificada, aunque resultan caros. El acero martin o siemens, que permiteaprovec+ar la c+atarra, se sit-a, por su calidad y su costo de elaboración entre losanteriores y el de convertidor. @ste resulta muy barato porque no requiere ning-n

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manantial de calor y se elabora rápidamente.El acero ordinario contiene 5 6 de cuerpos aleados con el +ierro: carbono, silicio ymanganeso a ra#ón de 9 6 como má/imoA a#ufre, fósforo y o/!geno a ra#ón de 9por mil. Bnos son necesarios (por eCemplo un acero con más de 8.95 6 decarbono no puede ser soldado si no contiene manganeso), mientras que otros son

perCudiciales (el fósforo +ace frágil al acero y el a#ufre disminuye su maleabilidad)Los aceros pueden adquirir propiedades muy diferentes mediante tratamientost'rmicos (templado, recocido), fisicoqu!micos (cementación, nitruración) ymecánicos (forCado, laminado, estirado, embutido).

$rincipales aceros y sus aplicaciones: "ceros al carbono, aceros ordinarios, cuya composición, es modificadaligeramente (sobre todo la proporción de carbono) para obtener:

 "cero e/tradulce (clavos, tornillos, c+apa para embutido, pie#as de forCa) "cero dulce (arma#ones metálicos, barras perfiladas, pernos, alambres)

 "cero semidulce (vaciado, maquinaria, forCa) "cero semiduro (vaciado, árboles de transmisión, +erramientas) "ceros duros (vaciado, armas, +erramientas, rieles, resortes, cuc+illos) "ceros e/traduros (cables, cuerdas de piano, resortes, +erramientas paratrabaCar materiales)

Los aceros aleados o aceros especiales, modificados por adición de un soloelemento especial se denominan aceros binarios. *e llaman ternarios,cuaternarios o compleCos, cuando los elementos son varios.Los aceros especiales más empleados son los que contienen n!quel y cromo

(aceros al cromon!quel). Llámanse aceros perl!ticos cuando predomina el n!quel yaceros austen!ticos cuando 'ste entra en menores proporciones que el cromo.Los primeros se utili#an muc+o en construcciones mecánicas mientras que lossegundos constituyen los aceros ino/idables.

VentaCas del acero:0 ;aCo costo de elaboración0 Elevadas propiedades mecánicas0 Dran resistencia estática, dinámica, rigide# y duración0 $osibilidad de modificar las propiedades mecánicas con:

0 %ratamientos t'rmicos0 %ermoqu!micos0 "gregado de aleantes

$or el 6 de carbono se clasifican en: "ceros 3ipoeutectoides: 6 8. "ceros +ipereutectoides: 6 F 8.

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e baCo carbono: 6 8.Ge medio carbono: 8.G 6 8.<e alto carbono: 8.< 6 9.<

on el aumento de carbono se verifica:

isminuye la temperatura de fusión del acero "umentan las caracter!sticas mecánicas "umenta la fragilidadayor resistencia al desgaste

enor solubilidadificultad de mecani#adoacilidad para aplicación de tratamientos t'rmicos

Materiales cerámicos:

La palabra cerámica (derivada del griego HIJKMHNO PeramiPos, QsustanciaquemadaQ) es el t'rmino que se aplica de una forma tan amplia que +a perdidobuena parte de su significado. 1o sólo se aplica a las industrias de silicatos (grupode minerales de mayor abundancia, pues constituyen más del R56 de la corte#aterrestre), sino tambi'n a art!culos y recubrimientos aglutinados por medio delcalor, con suficiente temperatura como para dar lugar al sinteri#ado. Este campo

se está ampliando nuevamente incluyendo en 'l a cementos y esmaltes sobremetal.

Los materiales cerámicos son materiales inorgánicos no metálicos, constituidospor elementos metálicos y no metálicos enla#ados principalmente medianteenlaces iónicos ySo covalentes. Las composiciones qu!micas de los materialescerámicos var!an considerablemente, desde compuestos sencillos a me#clas demuc+as fases compleCas enla#adas.

Las propiedades de los materiales cerámicos tambi'n var!an muc+o debido a

diferencias en los enlaces. En general, los materiales cerámicos son t!picamenteduros y frágiles con baCa tenacidad y ductilidad. Los materiales cerámicos secomportan usualmente como buenos aislantes el'ctricos y t'rmicos debido a laausencia de electrones conductores, normalmente poseen temperaturas de fusiónrelativamente altas y, asimismo, una estabilidad relativamente alta en la mayor!ade los medios más agresivos debido a la estabilidad de sus fuertes enlaces.

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ebido a estas propiedades los materiales cerámicos son indispensables paramuc+os de los diseos en ingenier!a.

En general, los materiales cerámicos usados para aplicaciones en ingenier!apueden clasificarse en dos grupos: materiales cerámicos tradicionales y materiales

cerámicos de uso especifico en ingenier!a. 1ormalmente los materiales cerámicostradicionales están constituidos por tres componentes básicos: arcilla, s!lice(pedernal) y feldespato. ECemplos de cerámicos tradicionales son los ladrillos yteCas utili#ados en las industrias de la construcción y las porcelanas el'ctricas deuso en la industria el'ctrica. Las cerámicas ingenieriles, por el contrario, estánconstituidas, t!picamente, por compuestos puros o casi puros tales como o/ido dealuminio ("l=>G), carburo de silicio (*i), y nitruro de silicio (*iG1T). ECemplos deaplicación de las cerámicas ingenieriles en tecnolog!a punta son el carburo desilicio en las áreas de alta temperatura de la turbina del motor de gas, y el o/ido dealuminio en la base del soporte para los circuitos integrados de los c+ips en un

modulo de conducción t'rmica.

Materiales y aplicaciones avanzadas

Los cerámicos avan#ados incluyen los carburos, los boruros, los nitruros y losó/idos. Deneralmente estos materiales se seleccionan tanto por sus propiedadesmecánicas como f!sicas a altas temperaturas.

Bn e/tenso grupo de cerámicos avan#ados se usa en aplicaciones noestructurales, aprovec+ando sus -nicas propiedades magn'ticas, electrónicas yópticas, su buena resistencia a la corrosión a alta temperatura, su capacidad deservir como sensores en la detección de gases peligrosos y por ser adecuadospara dispositivos de prótesis y otros Ucomponentes de repuesto para el ser +umano. La "l-mina ("l=>G): *e utili#a para contener metal fundido o para operar a alta temperatura donde se requiere buena resistencia.

0 El 1itruro e "luminio ("W1): $roporciona un buen aislante el'ctrico, pero tienealta conductividad t'rmica. ado que su coeficiente de e/pansión t'rmica essimilar al del silicio, el "W1 es un sustituto adecuado del "l=>G como material desustrato para circuitos integrados.

0 El arburo e ;oro (;T): Es muy duro y a-n as! e/traordinariamente ligero. "demás de su utili#ación como blindaCe nuclear, encuentra uso en aplicacionesque requieren e/celente resistencia a la abrasión, como parte en placas blindadas.

0 El arburo e *ilicio (*i): tiene una resistencia a la o/idación e/traordinaria atemperatura incluso por encima del punto de fusión del acero. " menudo el *i se

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utili#a como recubrimiento para metales, para compuestos de carbono y otroscerámicos a temperaturas e/tremas.

0 El 1itruro e *ilicio (*iG1T): *on candidatos para componentes de motoresautomotrices y de turbina de gas, permitiendo temperaturas de operación más

elevadas y meCores eficiencias de combustible, con menor peso que los metales yaleaciones tradicionales.

0 El *ialón: *e forma cuando el aluminio y el o/!geno reempla#an parcialmente alsilicio y al nitrógeno en el nitruro de silicio. Es relativamente ligero, con uncoeficiente de e/pansión t'rmica baCo, buena tenacidad a la fractura, y unaresistencia superior a la de muc+os de los demás cerámicos avan#ados comunes.El sialón puede encintrar aplicaciones en componentes para motor y otrasaplicaciones, que a su ve# involucran altas temperaturas y condiciones severas dedesgaste.

0 El ;oruro e %itanio (%i;=): Es un buen conductor de la electricidad y del calor. "demás tiene e/celente tenacidad. El %i;=, Cunto con el carburo de silicio y laal-mina, son aplicaciones en la producción de blindaCes.

0 La Brania (B>=): Btili#ado como combustible de reactores nucleares.

oncluimos en que los materiales cerámicos, debido a sus propiedades t'rmicas,el'ctricas y mecánica, es de gran aplicación en muc+os de los ámbitosindustriales. Bn eCemplo de tal aplicación, es el desarrollo del sistema deprotección t'rmica para ve+!culos orb!tales, como el trasbordador espacial. ado

que el trasbordador espacial +a de ser usado para al menos en 988 misiones, se+i#o necesario el desarrollo de nuevos aislamientos cerámicos en losetas.

 "lrededor del <86 de la superficie e/terna del ve+!culo orbital está protegida delcalor por apro/imadamente =T888 losetas individuales de cerámica +ec+as en uncompuesto de fibra de s!lice.

La producción de cerámicas avan#adas sigue las etapas de producción de polvos,preparación de la masa por +umectación, conformado y secado, prensado ysinteri#ación, aplicando el calor con o sin presión simultánea, para acabar con elmecani#ado. La correcta composición de los polvos constituye un puntofundamental del proceso, para lo que es preciso eliminar totalmente las impure#asy uniformar el tamao de las part!culas. Los procesos más utili#adosindustrialmente son:

 

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a fundici!n por revestimiento. Bna suspensión de arcilla en agua se

vierte en un molde. " medida que el contenido de agua en la superficiedisminuye, se forma un sólido suave. El iquido sobrante se elimina y laforma +ueca se retira del molde. La unión en este punto es arcilla0 agua.

a conformaci!n plástica en "#medo. En unos de los casos se apisonaun refractario +-medo en un molde y luego se lo destruye para que salgaen una forma determinada. La masa plástica se fuer#a a trabes de untroquel para producir una forma alargada que luego se corta a longituddeseada. uando se desea formar figuras circulares tales como platos, secoloca una masa de arcilla +-meda en una rueda rotativa, y se la conformacon una +erramienta.

$rensado con polvo seco. *e consigue rellenando un troquel con polvo y

luego prensándolo. Deneralmente el polvo contiene alg-n lubricante, tal

como ácido, esteárico o cera. espu's la pie#a fresca o verde se somete al+orneado. ientras se calienta, se elimina el agua y los gigantes volátiles.

%l prensado en caliente. Wnvolucra simultáneamente las operaciones de

prensado y sinteri#ación. *e obtienen mayor densidad y tamao mas finodel grano. El problema es obtener una duración adecuada del troquel atemperaturas elevadas, para lo cual muc+as veces se emplean atmósferasde protección.

a compactaci!n isostática. El polvo se encapsula en un recipiente que

se pueda comprimir y se sumerge en un fluido presuri#ado. Las formas delrecipiente y de los cora#ones removibles determinan la forma del prensado.El prensado puede ser en caliente o en frio.

"rincipales aleaciones utilizadas en la industria:

 "lnico: "leación formada principalmente de cobalto,

aluminio y n!quel aunque tambi'n puede contener +ierro,cobre y en ocasiones titanio. *u uso principal es enaplicaciones magn'ticas. Las aleaciones de álnico sonferromagn'ticas y se usan para +acer imanespermanentes. "ntes del desarrollo de imanes de tierrasraras en la d'cada de 9R<8, fueron el tipo más fuerte deimán.

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 "cero: aleación de +ierro y carbono  donde el carbono no supera el =,96 enpesoX de la composición de la aleación, alcan#ando normalmente porcentaCesentre el 8,=6 y el 8,G6. $orcentaCes mayores que el =,86 decarbono dan lugar a las fundiciones aleaciones que al ser quebradi#as y no poderse forCar   a diferencia de los aceros, se

moldean.

 "lpaca: aleación ternaria compuesta por #inc, cobre y n!quelcon un color y brillo parecido al de la plata . Las aleaciones que contienen más deun 486 de cobre son monofasicas y se caracteri#an por suductibilidad  y por la facilidad para ser trabaCadas a temperaturaambiente , la adición de n!quel confiere una buena resistencia alos medios corrosivos.

obre: aleación metalica de cobre y estao en la que el primeroconstituye su base y el segundo aparece en una proporción de entre el G y el =86.

onstantán: "leación generalmente formada por un 556de cobre y un T56 de n!quel (u551iT5). *e caracteri#apor tener una resistencia el'ctrica constante en un ampliorango de temperaturas, es uno de los materiales másutili#ados para la fabricación de monedas.

agnam: aleación de magnesio (mg) que se le aademanganeso (mn), aluminio (al) y #inc (#n). Es un metal muy dif!cil de conseguir yaque solo se usa para e/perimentos y construcciónde solo algunos instrumentos.

1icrom: "leación de n!quel, cromo está compuesta

de un 86 de niquel y un =86 de cromo. Es decolor gris y resistente a la corrosión , con un puntode fusión cercano a los 9T88Y. $or su granresistividad y su dif!cil o/idación a altastemperaturas, es muy utili#ado en la confección deresistencias para elementos calefactores, comosecadores de pelo, +ornos el'ctricos y tostadoras.

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>ro blanco: "leación de oro y alg-n otro metal blanco,como la plata , el platino, paladio , o n!quel , muc+asveces recubierta de rodio de alto brillo. Esta aleaciónes muy usada en Coyer!a, Bna me#cla que fue muy usada por un tiempo, contienedos a cuatro partes de oro y una parte de plata.

$eltre: "leación compuesta por estao, cobre, antimonio y plomo. Es maleable,blando y de color blanco con alguna similitud a la plata, poco reactivo y funde aG=8 Z por lo que su utili#ación para adornos es muy com-n.

[amaP: "leación de cobre, #on# con aluminio , magnesio y cobre.%iene dure#a,resistencia a la tracción, y temperatura de fusión de G4 Y.. Es un materialbarato, posee buena resistencia mecánica y deformabilidad plástica, y buena

maleabilidad. *e puede cromar, pintar y mecani#ar.