Tema 6 materiales no herrosos

TEMA 6: MATERIAIS NON FERROSOS 1

TECNOLOXIA INDUSTRIAL I IES AQUIS CELENIS

Tema 6: Enerxía. Materiais non ferrosos

1.- CLASIFICACIÓN DOS MATERIAIS NON FERROSOS

A principal clasificación faise atendendo a súa densidade. Así podemos distinguir:

Metais pesados: son aqueles cuxa densidade e maior ca 5 g/cm3. Pertencen a este grupo: o cobre, o estaño, o chumbo, o cinc, o níquel, o cromo e o cobalto entre otros.

Metais lixeiros: son aqueles cuxa densidade está comprendida entre 2 e 5 g/cm3. Son o aluminio e o titanio. O peso específico das súas aliaxes é inferior á metade do peso específico do aceiro.

Metais ultralixeiros: son aqueles cuxa densidade e menor do 2g/cm3. Son o magnesio e tamén, o berilio, ainda que este último rara vez encontrase en estado puro. Este materiais presentan un peso específico inferior a cuarta parte do peso específico dos aceiros.

2.- METAIS PESADOS

Os metais pesados: son aqueles cuxa densidade e maior ca 5 g/cm3. Pertencen a este grupo: o cobre, o estaño, o chumbo, o cinc, o níquel, o cromo e o cobalto entre otros.

2.1.- O COBRE

O cobre foi o primeiro metal en ser empregado industrialmente polo home (construción de útiles de traballo, armas, recipientes,...) dado que existía abundantemente en estado natural e é moi dúctil e maleable.

2.1.1.- OBTENCIÓN DO COBRE

Os minerais mais utilizados para obter cobre son sulfuros de cobre, espécialmente a calcopirita. Tamén existen minerais de óxido de cobre, destacando a malaquiña e a cuprita. Os minerais de cobre acostuman ir acompañados tamén de ferro.

Existen dous métodos para a súa obtención: por vía seca e por vía húmida.

Por vía seca: é o método máis empregado, pero solo aplicable a calcopiritas con contido superior ó 10% en cobre. Consta das seguintes fases:

o Concentración mediante flotación do mineral unha vez triturado. o Eliminación do ferro e do xofre en convertidores. Engádese aire e calor

facendo reaccionar o ferro e o osíxeno, mentres o xofre mestúrase co fundente formando a escoura.

o Afino por electrólises conseguíndose unha pureza superior ó 99’9%.



Por vía húmida: é necesaria cando o contido de cobre no mineral está entre o 3 e o 10%. Este método é considerablemente máis complicado que o anterior e require tamén unha fase de afino por electrólises

2.1.2.- PROPIEDADES E APLICACIÓNS

O cobre é un metal de cor vermello, variando na súa coloración segundo a súa calidade. Ten un aspecto agradable, o que permite o seu aproveitamento en moitas aplicación artísticas e decorativas. Dentro do campo tecnolóxico destacan as seguintes propiedades:

É un material moi dúctil e maleable, polo que é moi sinxelo de traballar en quente. Ó traballarse en quente gana resistencia, pero require tratamentos térmicos posteriores que alivien as tensións internas producidas.

É un excelente conductor da electricidade e do calor. É moi resistente á corrosión, de forma que ó estar á intemperie queda

protexido por unha capa de carbonato de cobre de cor verdosa que é velenosa, ó que limita a súa aplicación en recipientes ou utensilios de cociña.

En canto as súas aplicacións, o cobre puro destinase para a fabricación de conductores e adornos artísticos e de artesanía, así como moitos compoñentes de máquinas térmicas e hidráulicas. Sen embargo, a maior parte vai dirixido para a obtención das distintas aliaxes.

2.1.3.- ALIAXES DO COBRE

Nas aliaxes do cobre as conductividades eléctrica e térmica son propiedades secundarias. O obxectivo principal é conseguir boas propiedades mecánicas, facilidade de conformado (por forxa e moldeo) e alta resistencia á corrosión. Esta última propiedade é de especial importancia pois o cobre é xunto cos aceiros inoxidables o único metal apto para ambientes agresivos, cun custo considerablemente máis baixo que estes.

As aliaxes que teñen como base o cobre denomínanse latóns si o elemento da aliaxe é cinc, e bronces si o elemento da aliaxe é estaño.



2.1.3.1.- ALIAXES CU-ZN: LATÓNS.

Estas aliaxes posúen un contido máximo de cinc do 50%, pois a maiores porcentaxes as aliaxes resultan fráxiles. En xeneral teñen as propiedades esenciais do cobre, pero cun menor prezo, maior facilidade para ser traballados e mellor resistencia mecánica.

Os latóns divídense en dous grupos: latóns ordinarios e latóns especiais.

Latóns ordinarios que poden ser: Para moldeo: requiren pequenos porcentaxes de outros elementos que

faciliten a súa moldeabilidade. Para forxa: divídense en latóns vermellos empregados en xoiería e

decoración, así como para a fabricación de tubos flexibles, e latóns amarelos que son algo máis dúctiles que os vermellos e empréganse para a fabricación de múelles.

Latóns especiais: denomínanse así cando ademais de cobre e cinc posúen outros elementos na aliaxe (Al, Fe, Pb, Mn, Si). Preténdese unha fabricación para conseguir propiedades análogas á dos bronces pero de menor custo. Presentan o inconveniente de que requiren unha fabricación máis delicada.

2.1.3.2.- ALIAXES CU-SN: BRONCES ORDINARIOS.

Xeralmente empréganse bronces cun contido en estaño de ata o 22%. Canto maior é porcentaxe de estaño maior é a resistencia á corrosión, a resistencia mecánica (para contidos superiores ó 19% de estaño vólvense fráxiles) e diminúe a conductividade eléctrica.

En xeneral dan productos de mellores calidades que os latóns pero trabállanse con máis dificultade e son máis caros.

Divídense en dous tipos:

Bronces ordinarios: o Bronces de medalla (menos do 6% de Sn): ó ser brandos e dúctiles

empréganse para fabricar arames, chapas e moedas. o Bronces de canóns (10-12% de Sn): teñen máis resistencia mecánica,

maior resistencia á corrosión e son máis densos que os anteriores. Antigamente empregábanse para a fabricación de canóns. Actualmente destínanse a elementos de máquinas (engrenaxes, casquillos, coxinetes) e a elementos hidráulicos (válvulas, billas, ...).

o Bronces ó 12-18% de Sn: teñen características similares ós bronces de canón pero son lixeiramente superiores e con maiores custos de fabricación.

o Bronces de campás (20-22% de Sn): son moi duros e posúen boa sonoridade polo que empréganse na fabricación de campás.



Bronces especiais.

Os bronces especiais presentan ademais de Cu e Sn, outros elementos químicos (Al, Mn, Ni, Be, Si, Pb). Entre os máis importantes podemos destacar:

o Aliaxes de Cu-Al: bronces ó aluminio ou cuproaluminios. Son dúctiles e maleables, con boas propiedades mecánicas e boa resistencia á corrosión. Empréganse fundamentalmente en elementos sometidos a axentes corrosivos e ó desgaste e fatiga: eixes e hélices de construcións navais, elementos de turbinas, coxinetes, ...

o Aliaxes Cu-Mn: bronces ó manganeso ou cupromanganesos. A súa propiedade máis importante é a resistencia mecánica de forma que ó posuír moldeabilidade e resistencia á corrosión, empréganse nas turbinas.

o Aliaxes Cu-Ni: bronces ó níquel ou cuproníqueles. O porcentaxe de níquel está relacionado coa dureza. Emprégase para a fabricación de resistencias de precisión.

o Aliaxes Cu-Si: bronces ó silicio ou cuprosilicios. Son bos conductores eléctricos e o seu emprego máis importante é para a fabricación de cables eléctricos.

o Aliaxes Cu-Pb: bronces ó chumbo. Ó ter boa plasticidade poden soportar choques e vibracións, o que os fai útiles para a fabricación de coxinetes de máquinas rotativas con arranques frecuentes.

2.2.- O CHUMBO

Propiedades:

- Cor gris prateado - Densidade elevada (11,4g/cm3) - Moi mol - Baixa conductividade térmica e eléctrica - Flexibel - Maleábel

Aplicacións:

- Pola alta densidade é opaco ás radiacións electromagnéticas, usa-se como escudo protector en instalacións de radioloxia e centrais nucleares

- Recipientes que conteñan acedos (baterias e acumuladores eléctricos) pola sua resisténcia a corrosión.

- Nunca debe usar-se para conter alimentos. É un veneno mineral. O organismo humano é incapaz de o eliminar . A intoxicación por Pb chama-se saturnismo e provoca intensos dores intestinais, cefaleas, alucinacións e hipertensón arterial. Pode contrair-se por via respiratoria, dixestiva e cutánea

- Aditivo do vidro para dureza e peso (lentes) - Pinturas para protección contra a corrosión (minio)



2.3.- O ESTAÑO

É moi brando e maleable, inalterable ó aire e a axentes orgánicos. Esta última é a propiedade máis importante deste material, e por isto emprégase para a fabricación da folla de lata, que é unha chapa fina de aceiro recuberta de estaño. A folla de lata, debido a súa inalterabilidade fronte a axentes orgánicos, emprégase a miúdo como envase de alimentos (latas de conserva).

2.4.- O CINC

A propiedade máis destacable do cinc é a súa resistencia á corrosión e por esto emprégase para recubrir ferro e protexelo contra axentes corrosivos, fundamentalmente contra atmosferas húmidas. Este ferro recuberto de cinc denomínase ferro galvanizado. Soe presentarse comercialmente en forma de chapas de moi pouco grosor e obtense introducindo a chapa de aceiro orixinal nun baño de cinc fundido que, ó arrefriarse, quédase adherido no material base en forma de cristais que danlle un brillo característico.

2.5.- O NÍQUEL

É moi maleable e ten unha boa resistencia mecánica e contra a corrosión. Entre as súas aplicacións máis importantes atópase a fabricación de utensilios de cociña e de instrumental cirúrxico.

3.- METAIS LIXEIROS

Os metais lixeiros son aqueles cuxa densidade está comprendida entre 2 e 5 g/cm3. Son o aluminio e o titanio. O peso específico das súas aliaxes é inferior á metade do peso específico do aceiro

3.1.- O ALUMINIO

O aluminio é un metal de cor branco brillante que ó ser pulido ten un aspecto similar á prata de densidade 2,75g/cm3. Despois do magnesio, é o metal de interese industrial máis lixeiro. Atópase na natureza en forma de minerais, dos que o máis importante é a bauxita composta principalmente por óxido de aluminio ou alumina. A metalurxia do aluminio faie en dúas fases: en primeiro lugar a obtención da alumina e a continuación a obtención do aluminio puro.

Primeira fase: obtención da alumina. Para isto emprégase o método Bayer composto das seguintes fases:



o Torradura e trituración da bauxita. o Descomposición da bauxita en dous compoñentes: por unha parte o

aluminato sódico líquido e por outra a ganga (mestura de óxido de ferro, sílice e titanio). Esta operación fase mediante tratamento en cámaras denominadas autoclaves a unha temperatura e presión concretas.

o Decantación en depósitos separadores. o Separación do aluminato sódico en grandes axitadores. o Filtrado e calcinación do hidróxido de aluminio ata obter finalmente a

alumina (Al2O3). Segunda fase: fabricación do aluminio.

Faise mediante a redución da alumina por electrólises, é dicir, por unha reacción química na que se produce unha transferencia de electróns. O proceso lévase a cabo nun forno cun revestimento metálico que actúa como cátodo e uns electrodos de carbón que actúan como ánodo. O calor necesario para o proceso proporciónao a corrente eléctrica. Este método consiste en cargar o forno con criolita que actúa como fundente da alumina, é dicir, que permite separar as impurezas do material fundamental e reducir a temperatura de fusión. Unha vez fundida a criolita engádese a alumina na cantidade requirida. O aluminio resultante deposítase no fondo e pasa a constituír o cátodo, mentres que o osíxeno non liberado combínase co carbono do electrodo formando primeiro CO e máis adiante CO2.



3.1.1.- PROPIEDADES E APLICACIÓNS

As principais propiedades e aplicacións que xustifican o emprego deste material na industria son as seguintes:

Ductilidade e maleabilidade: que permite traballalo con facilidade e conseguir fíos (ex. condutores eléctricos) e láminas moi finas (ex. papel albal).

Posúe pouca resistencia mecánica, tanto menor canto maior sexa a pureza do aluminio, que pode mellorarse engadindo elementos químicos mediante a formación dunha aliaxe.

Debido o seu baixo peso específico, o aluminio emprégase para a fabricación de pezas que requiren pouco peso na industria aeronáutica, automobilística e ferroviaria.

A boa conductividade eléctrica fai que sexa idóneo como condutor en liñas de alta tensión.

Presentan igualmente boa condutividade térmica.

Pola súa alta actividade química co osíxeno emprégase para desoxidar baños de aceiro, para soldadura aluminotérmica, etc.

Non se corroe nin se oxida pois xera unha capa compacta de óxido que impide que esta siga avanzando nas capas máis internas do material. Así emprégase en multitude de utensilios e dado o seu carácter non tóxico a miúdo é empregado como protector dos alimentos.

3.1.2.- ELEMENTOS DE ALIAXES.

As principais aliaxes de aluminio pretenden reducir a súa baixa resistencia mecánica. Entre os elementos máis importantes de aliaxe destacan:

Cobre: emprégase para endurecer o aluminio. Silicio: mellora a resistencia mecánica e a corrosión. Cinc: mellora a facilidade de moldeo e as propiedades mecánicas. Magnesio: proporcionan pesos específicos incluso inferior ó do aluminio puro,

así como mellora a súa resistencia mecánica, a corrosión e a moldeabilidade.

3.2.- O TITANIO

Trátase dun metal de cor branco e brillo prateado intermedio entre o aluminio e o magnesio. Si ben é máis pesado que o aluminio, presenta mellores características mecánicas e maior resistencia fronte a corrosión.

As principais aplicacións do titanio son:



A industrial naval polo súa resistencia á corrosión das augas mariñas. Pola gran resistencia ás altas temperaturas, emprégase para a fabricación de

estructuras en aeronáutica e astronáutica, e incluso na fabricación de proxectís de artillería.

As aliaxes de titanio con carbono teñen unha extraordinaria dureza, e empréganse para a fabricación de abrasivos e aliaxes duras para ferramentas de corte.

Na actualidade tamén se emprega para a fabricación de próteses en traumatoloxía, dado o escaso rexeitamento que producen e a forte unión que fan cos osos.

4.- METAIS ULTRALIXEIROS

Os metais ultralixeiros son aqueles cuxa densidade e menor do 2g/cm3. Son o

magnesio e tamén, o berilio, ainda que este último rara vez encontrase en estado

puro. Este materiais presentan un peso específico inferior a cuarta parte do peso

específico dos aceiros.

4.1.- O MAGNESIO

Caracterízase por ser un material de cor branco moi parecido ó aluminio. O emprego do magnesio está en fase de desenrolo, pero debido a que o seu custo de produción é considerable aínda non puido desprazar ó aluminio en moitas aplicacións, aínda que presente mellores características como o seu menor peso específico.

As propiedades e aplicacións fundamentais do magnesio son:

Baixo peso específico: polo que emprégase para fabricar pezas lixeiras da industria audiovisual, aeronáutica e automobilística.

Presenta o inconveniente de sufrir corrosión en ambientes mariños. Dado que o magnesio é moi activo quimicamente co osíxeno, corroese ó non

xerar unha capa compacta que o protexa, como no caso do aluminio. Emprégase para a fabricación de pólvora, obxectos pirotécnicos e flashes

debido a que as partículas de magnesio en contacto co aire arden e provocan radiacións ultravioletas.

4.1.1.- ALIAXES DE MAGNESIO.

A obtención de distintas aliaxes de magnesio non ofrece dificultades particulares e aínda que o obxectivo xeralmente é proporcionar ó material resistencia contra a corrosión, esto non sempre é posible. Os elementos de aliaxe máis empregados son:

Manganeso: serve para mellorar sensiblemente a resistencia contra a corrosión.

Aluminio: proporciona dureza e resistencia mecánica. Cinc: proporciona moldeabilidade.



5.- APLICACIÓNS PARTICULARES DOS METAIS NON FÉRRICOS:

ALIAXES ANTIFRICIÓN.

As aliaxes antifrición son aliaxes máis ou menos complexas empregadas para revestir coxinetes, que son pezas de máquinas encargadas de soportar pesos e empuxes. Estes elementos de máquinas rotativas compóñense de dous constituíntes: un elemento duro que resiste o desgaste, e un elemento brando que permite o axuste e reparte as cargas ó longo de toda a superficie do coxinete. Entre as características destacan a súa plasticidade, resistencia ó desgaste, resistencia á corrosión, conductividade calorífica e resistencia á compresión.

6.- METAIS E ALIAXES PARA ALTAS TEMPERATURAS.

Aplícase o termo altas temperaturas para temperaturas superiores a 400 ºC. Os materiais que deben soportar estas temperaturas deben cumprir os seguintes requisitos: punto de fusión superior á temperatura de traballo, resistencia á corrosión e resistencia mecánica.

Distínguense tres grupos de materiais que cumpren estes requisitos:

Aliaxes comúns: xeralmente con grandes contidos de cromo e níquel que proporcionan a aliaxe gran resistencia contra a corrosión pero pouca resistencia mecánica. Empréganse por exemplo para elementos de calefaccións eléctricas.

Superaliaxes: desenvoltas para cubrir o campo dos compoñentes de motores de turbinas de aeronáutica. Están baseadas en níquel e cobalto.

Aliaxes para ferramentas: requiren resistencia á temperatura e ó desgaste. Están baseadas en cobalto, cromo e tungsteno.

Documents

Tema 6 materiales no herrosos