Aleaciones no ferrosas
Aleaciones no ferrosas
El acero y otras aleaciones ferrosas son demandadas en grandes
cantidades porque tienen un amplio rango de propiedades mecnicas,
pueden ser de relativamente fcil fabricacin y son econmicamente
factibles. Sin embargo, ellas tiene algunas limitaciones
distintivas como:
a) Tienen una densidad relativamente alta;
b) Comparativamente baja conductividad elctrica
c) Una susceptibilidad inherente a la corrosin en algunos medios
comunes.
De tal forma que esto es desventajoso y es por ello que se
utiliza otros tipos de aleaciones con una amplia variedad de
propiedades como son las aleaciones no ferrosas.En las aleaciones
ferrosas e incluso los aceros inoxidables y las fundiciones
utilizan tratamientos similares para controlar las microestructuras
y las propiedades. Sin embargo, la estructura y el comportamiento
de las aleaciones no ferrosas tienen enormes diferencias, como por
ejemplo: las temperaturas de fusin, van desde temperaturas casi
ambientales para el galio, hasta temperaturas de 3000 C para el
tungsteno. Las resistencias mecnicas varan desde 1000 psi hasta los
200,000 psi para algunas aleaciones de cobre.El aluminio, magnesio
y el berilio se consideran como metales ligeros con densidades
bajas, en tanto que el plomo y el tungsteno tienen densidades
excepcionalmente altas.Otro factor en el diseo con metales no
ferrosos es su costo, que tambin varia de manera significante. Sin
embargo, el precio del metal es solo una parte del costo de un
componente. Su fabricacin y terminado, sin mencionar la
comercializacin y la distribucin constituyen el costo total de una
pieza.Cobre y sus aleaciones
El cobre se obtiene por un proceso pirometalrgico (de alta
temperatura); en el que se concentra mineral de cobre con alto
contenido de azufre y despus se convierte en una masa de sulfuro de
hierro y de sulfuro de cobre. El Oxgeno que se introduce en la masa
convierte el sulfuro de hierro en xido de hierro y el sulfuro de
cobre en un cobre impuro, llamado cobre blister, que posteriormente
es purificado. Otros mtodos incluyen lixiviar el cobre a partir de
minerales de bajo azufre con cido dbil y despus se extrae
electrolticamente de la solucin.
Tostacin parcial
Calcopirita
Calcinacin
El cobre puro (99.5 % a 99.95 %) se usa en conductores
elctricos, tubera, tanques de uso domestico y en la industria
alimenticia.Propiedades y caractersticas de las aleaciones de
cobre
1) Las aleaciones en base cobre son ms pesadas que las de base
hierro,
2) Tienen mejor resistencia a la fatiga, a la termofluencia y al
desgaste que las de aluminio y magnesio ligeras,
3) Muchas de las aleaciones de cobre tienen excelente
ductilidad, resistencia a la corrosin, y conductividad elctrica y
trmica,
4) La mayor parte puede soldarse fcilmente o fabricarse en
formas tiles,5) Sus aplicaciones incluyen componentes elctricos
alambres, bombas, vlvulas y componentes de plomera.
El cobre puro es rojo; la adicin de Zn lo torna amarillo y el
nquel plateado. Los cobres con menos de 1 % de impurezas se
utilizan para aplicaciones elctricas, pequeas cantidades de cadmio,
de plata y de Al2O3 mejoran su dureza, sin disminuir de manera
significativa la conductividad. Las aleaciones de cobre de una sola
fase se endurecen por trabajo en fro. Latones
Las aleaciones de cobre ms comunes son los latones, en las
cuales se adiciona zinc como una impureza sustitucional y es por
consecuencia el elemento de aleacin predominante.El diagrama de
fases de Cu-Zn muestra que la fase es estable para concentraciones
de aproximadamente 35 % en peso de Zn, esta fase tiene una
estructura cristalina cbica centrada en las caras, y los latones
con fases son relativamente suaves, dctiles y fcilmente se puede
realizar trabajado en fro.
Las aleaciones con mas alto contenido de zinc, contienen las
fases y a temperatura ambiente. La fase tiene un ordenamiento
cristalino de cbica entrada en el cuerpo y es ms resistente y ms
dura que la fase ; por consecuencia las aleaciones de fases y son
trabajadas en caliente.
Diagrama de fases Cu-Zn
Algunos de los usos comunes de los latones incluyen: Joyera de
fantasa, cubierta de cartuchos, radiadores automotrices,
instrumentos musicales, piezas electrnicas y monedas. Los bronces
son aleaciones de cobre y otros elementos, incluyendo estao (Sn),
aluminio, silicn y nquel. Estas aleaciones son ms resistentes que
los latones, e incluso tienen un alto grado de resistencia a la
corrosin. Generalmente son utilizados cuando en adicin a la
resistencia a corrosin se requiere buenas propiedades de
tensin.
El cobre al berilio, son las aleaciones de cobre ms comunes
obtenidas por precipitacin de alta dureza, los cuales poseen una
remarcada combinacin de propiedades como: alta resistencia a la
tensin (200,000 psi), excelentes propiedades elctricas y de
resistencia a la corrosin, resistencia al desgaste cuando son
lubricadas. Este tipo de aleaciones pueden ser moldeadas,
trabajadas en fro o en caliente, adems son caras debido a la adicin
de berilio entre 1 y 2.5 % en peso. Son muy utilizadas en resortes,
solera, herramientas antichispa, instrumentos quirrgicos y
dentales.Aluminio y sus aleacionesEl aluminio es el segundo metal
ms abundante sobre la tierra. El desarrollo de la energa elctrica y
del proceso Hall-Heroult para la reduccin electroltica del Al2O3
hacia metal lquido, permiti que el aluminio se convirtiera en unos
de los materiales de ingeniera ms ampliamente usado y econmico. Las
aplicaciones se suman por millones incluyendo botes de bebidas,
aplicaciones domsticas, equipo para procesos qumicos, equipo de
transmisin de energa elctrica, componentes automotrices y partes y
ensambles aeroespaciales.El aluminio y sus aleaciones son
caracterizadas por su relativamente baja densidad (2.7 g/cm3
compara da con la del acero 7.9 g/cm3), alta conductividades
elctricas y trmicas, comportamiento no magntico, excelente
resistencia a la oxidacin y a la corrosin. Este elemento reacciona
frente al oxgeno, incluso a temperatura ambiente para formar una
capa extremadamente delgada de xido de aluminio que protege el
metal subyacente de muchos entornos corrosivos. El aluminio no
exhibe un alto lmite de endurecimiento, por lo que finalmente puede
ocurrir falla por fatiga incluso en bajos esfuerzos. La principal
limitacin del aluminio es su bajo punto de fusin (660 C), el cual
restringe la temperatura mxima a la que puede ser usada. Las
aleaciones de aluminio tienen baja dureza, lo que lleva a una mala
resistencia al desgaste.
Dependiendo de su mtodo de manufactura las aleaciones de
aluminio se pueden dividir en dos grupos de importancia: para forja
y para fundicin. Dentro de cada grupo se pueden dividir en dos
subgrupos: las tratables trmicamente y las no tratables
trmicamente.Las aleaciones de aluminio se clasifican siguiendo la
numeracin de 3 cifras para aleaciones para fundicin y de 4 para
aleaciones de forja. El primer nmero define los principales
elementos de aleacin y los nmeros restantes se refieren a la
composicin especfica de la misma. Los principales elementos de
aleacin incluyen al cobre, magnesio, silicio, manganeso y
zinc.Despus de dar la clasificacin mediante estos dgitos, se coloca
una letra que indicar el grado de endurecimiento o el diseo de
temperatura aplicado, por ejemplo, T o H indican si la aleacin fue
tratada trmicamente o endurecida por deformacin (trabajado en fro)
a la cual se le conoce como clasificacin por temple. Otras
clasificaciones indican si es recocida (O), tratada por solucin (W)
o utilizada tal y como fue tratada (F). Los nmeros que siguen a la
T o a la H indican la cantidad de endurecimiento por deformacin, el
tipo exacto de tratamiento trmico u otros aspectos especiales del
procesamiento de la aleacin.Ejemplos:
1100-H18; indica que es una aleacin Al, trabajada en fro que
resulta en una reduccin de aproximadamente 75% (Aleaciones por
forja no tratadas trmicamente, procesamiento de alimentos)
4032-T6; indica que es una aleacin de Al que contiene 12% Si-1%
Mg, tratada por solucin y envejecida artificialmente (Aleaciones
para forja tratables trmicamente, pistones). Las aleaciones para
forja 1xxx, 3xxx, 5xxx y la mayor parte de las 4xxx no son
endurecibles por envejecimiento. Las 1xxx y 3xxx son de una sola
fase, excepto por la presencia de pequeas cantidades de otros
elementos o de compuestos intermetlicos. Sus propiedades quedan
controladas por endurecimiento por deformacin, endurecimiento por
solucin slida y control del tamao de grano.Serie 1000 o 1xxx. Son
aleaciones de aluminio, tambin llamadas aluminio comercialmente
puro, es decir aquellas que contienen por lo menos 99 % Al, por
ejemplo aluminio 1030, cuya pureza mnima es del 99.30 %. Son
utilizables en procesamientos de alimentos, componentes elctricos
forja.Serie 3000 o 3xxx. Tienen mayor resistencia mecnica ms que la
serie 1000, utilizadas en latera, equipos de proceso, usos
arquitectnicos y utensilios. Las aleaciones 5000 o 5xxx contiene
dos fases a temperatura ambiente: a) una solucin slida de Magnesio
en aluminio y b) Mg2Al3, un compuesto intermetlico duro y frgil.
Son muy utilizadas por su resistencia y soldabilidad en tapas de
latas de bebidas y componentes marinos como cascos de barcos. La
serie 4000 o 4xxx, son aleaciones de Al-Si, las cuales tambin
tienen dos fases, utilizadas en alambres de soldadura por su bajo
punto de fusin.
Las aleaciones para forja tratables trmicamente de las series
2xxx, 6xxx y 7xxx son endurecibles por envejecimiento, debido a que
la cantidad de precipitado es limitada, se obtienen resistencias
especficas excelentes, sin embargo no logran utilizarse a
temperaturas por arriba de 175 C despus de envejecidas.La serie
2000 o 2xxx, son las aleaciones de Al-Cu de aplicaciones
estructurales en la aviacin y en el espacio, en ruedas de camin, de
gran resistencia a la tensin y soldabilidad adems que son de fcil
maquinado.La serie 6xxx, aleaciones de Mg/Si de gran resistencia a
la corrosin y soldabilidad son utilizadas en tuberas, canoas,
carros de ferrocarril, etc.
La serie 7xxx, son aleaciones de Zn-Mg con alta resistencia a la
tensin son utilizadas en la industria aeroespacial.Las aleaciones
para fundicin. Muchas de las aleaciones para fundicin contienen
suficiente silicio para causar una reaccin eutctica, proporcionado
bajos puntos de fusin y una fluencia adecuada. Muchas aleaciones
tambin contienen cobre, magnesio o zinc lo que permite el
endurecimiento por envejecimiento. Algunas aplicaciones son:
Fundiciones de uso general, carcasas para motor, motores
automotrices, acoplamientos para aeronaves, equipo para manejo de
alimento, etc. Nquel y sus Aleaciones
El nquel y sus aleaciones tienen excelentes resistencia a la
corrosin y caractersticas de conformado. Cuando se le adiciona
Cobre al Nquel, la resistencia mxima se alcanza cuando se tiene 60
% Ni. Varias aleaciones llamadas Monel, con aproximadamente esta
composicin se utilizan por su fuerza y tolerancia a la corrosin en
agua salada y a temperaturas elevadas. Tiene mejores propiedades de
resistencia a la corrosin que el nquel y cobre solos, se utilizan
en la fabricacin de Vlvulas, bombas, intercambiadores de calor,
flechas, resortes, impulsores, etc.
Es posible obtener varias propiedades especiales en aleaciones
de nquel, por ejemplo para producir imanes permanentes debido a su
comportamiento ferromagntico, una aleacin Ni-36 % Fe no efecta
expansin trmica al calentarse, por lo que este efecto se aprovecha
para producir materiales compuestos bimetlicos.
Otro tipo de aleaciones llamadas superaleciones de nquel,
nquel-hierro que contienen grandes cantidades de elementos de
aleacin, con la finalidad de producir una combinacin de alta
resistencia mecnica a temperaturas elevadas (1000 C) y adems
resistencia a la corrosin. Entre estas superaleaciones tenemos al
Inconel y Hastelloys. Algunas aplicaciones tpicas son las aletas y
las aspas de motores y turbinas de reaccin, intercambiadores de
calor, partes de recipientes para reacciones qumicas y equipo para
tratamiento trmico.Para obtener alta resistencia mecnica y soporte
a la termofluencia, los elementos de aleacin deben producir una
microestructura fuerte y estable a temperaturas elevadas. Para este
fin, se emplean los endurecimientos por solucin slida, por
dispersin y por precipitacin.En la figura que se presenta a
continuacin, se muestra el efecto de la temperatura sobre la
resistencia a la tensin de algunas aleaciones de nquel
Aleaciones de Magnesio
El magnesio se extrae electrolticamente del cloruro de magnesio
concentrado en el agua de mar, tiene densidad de 1.76 g/cm3 el cual
es ms bajo de todo los metales estructurales, se funde a
temperatura ligeramente por debajo del aluminio. La resistencia a
la corrosin del magnesio se aproxima a la del aluminio, sin embargo
la exposicin a ambientes salinos provocan un rpido deterioro. El
magnesio tiene un bajo mdulo de elasticidad (6.5x106 psi), escasa
resistencia a la fatiga, a la termofluencia y al desgaste. Este
elemento tambin presenta un riesgo durante la fundicin y el
maquinado ya que se combina con facilidad con el oxgeno y arde.
Las aleaciones modernas de magnesio han remplazado algunos
plsticos, debido a que son ms rgidos, ms reciclables y sus costos
de produccin son menores. Algunas aleaciones de magnesio con
impurezas (
