Los metales

IES BELLAVISTA

La edad de los metales Los primeros metales, encontrados en estado puro, se usaron sobre el 7.500 a.C., pero sólo eran trabajados en frío o ligeramente calentados. Sobre 5.000 a.C. se inicia la fundición de metales (cobre, oro,...) Sobre 3.000 a.C. se descubre el bronce, aleación de cobre y estaño, mucho más duro que ambos.

La edad de los metales Sobre 1.500 a.C. los hititas usaban el hierro para fabricar armas lo que les dio ventaja bélica sobre otros pueblos (egipcios,...)

Hasta 1.400 d.C., en que empezaron a utilizarse los hornos provistos de fuelle, no se pudieron alcanzar las temperaturas necesarias para fundir el hierro (1.535 ºC)

Características de los metales Son muy buenos conductores del calor.

Características de los metales Son buenos conductores de la electricidad, como el cobre y el aluminio.

Características de los metales Tienen una considerable resistencia mecánica.

Características de los metales Tienen una considerable tenacidad (aguantan golpes sin romperse)

Características de los metales Poseen una elevada maleabilidad.

Características de los metales Tienen una elevada ductilidad.

Características de los metales Son reciclables mediante fundición.

La extracción minera: minerales Los metales no suelen encontrarse puros en la naturaleza, sino formando parte de minerales.

La extracción del mineral en minas Los minerales se extraen en minas a cielo abierto o subterráneas.

La minería a cielo abierto

Mina de hierro de Alquife (Granada)

La extracción del mineral: voladuras La extracción minera a cielo abierto empieza con la voladura de la roca para desprenderla.

La extracción del mineral: el transporte El mineral se carga en camiones o vagones con grandes palas hidráulicas o con cucharas giratorias.

La minería subterránea

La mena y la ganga La parte aprovechable del mineral se llama mena y la no aprovechable ganga. La ganga suele ser más del 95%. Ganga

Mena

La trituración del mineral Para separar la mena de la ganga se procede a la trituración del mineral mediante diversos procedimientos.

Trituradora de martillos

Molino de bolas

Trituradora de rodillo

La trituración del mineral

La separación de mena y ganga Una vez triturado el material, se procede a la separación de la mena de la ganga por separación magnética o por flotación, entre otros. Separación magnética

Cinta transportadora

Celdas de flotación

La extracción del mineral: sinterizado La mena suele quedar reducida a partículas muy finas de difícil manipulación, por lo que se aglomeran en bloques. Este proceso se denomina sinterizado.

Bloque de metal sinterizado

Clasificación de los metales De entre todos los metales, el hierro y sus aleaciones suponen el 90% de la producción mundial. Por ello, se clasifican en:

Materiales férricos: Son el hierro y aleaciones cuyo componente principal es el hierro (aceros y fundiciones). Metales no férricos: Son los metales y aleaciones que no contienen hierro, como el cobre, el aluminio, el níquel, el latón, el bronce,...

Materiales férricos El hierro puro apenas se utiliza a nivel industrial. Por ello, se alea con carbono solo o con carbono y otros metales. Clasificación de los productos férreos según el contenido en C: Hierro dulce: %C < 0,1% Acero: 0,1% < %C < 1,67% Fundición: 1,67% < %C < 6,67% Nota: contenidos superiores al 5% hacen la aleación demasiado frágil y dejan de tener interés industrial.

Hierro dulce (o industrial) El hierro puro o con muy bajo contenido en carbono apenas se utiliza por ser un material muy blando y fácilmente deformable.

Sus únicas aplicaciones están en el campo del electromagnetismo. Se utiliza como núcleo de bobinas, electroimanes y transformadores.

Acero: propiedades Es dúctil y maleable. También es tenaz.

Su dureza y su resistencia al desgaste aumentan con el contenido en carbono, pero también su fragilidad,. Se puede soldar. Cuanto mayor contenido en C, peor se sueldan. Se oxida fácilmente (salvo los inoxidables).

Aceros al carbono (no aleados) Son los que contienen otros elementos, además de Fe y C, pero en proporciones muy pequeñas. Aceros con bajo contenido en C son fáciles de cortar y trabajar: carrocerías, vigas, bidones, ... Aceros con contenido medio en C buena resistencia a la fatiga y al desgaste: bielas, destornilladores, engranajes,... Aceros con alto contenido en C muy duros y con gran resistencia al desgaste, pero frágiles: herramientas de corte, brocas, cojinetes, ...

Aceros aleados Son los que contienen otros elementos, además de Fe y C, en proporciones significativas. Cada elemento aporta unas cualidades: Cobalto: aumenta la dureza y la resistencia al desgaste (brocas,...). Cromo y níquel: aumentan la resistencia a la corrosión (aceros inoxidables). Vanadio: confiere gran resistencia a la fatiga y a la tracción. Wolframio: confiere gran dureza a cualquier temperatura.

Fundiciones Contienen más carbono que los aceros. Tienen más bajo punto de fusión que el acero. Es fácil obtener piezas moldeadas. Son más baratas y más fáciles de mecanizar que el acero. Son muy difíciles de soldar.

Son más duras y resistentes a la corrosión y al desgaste, pero también más frágiles, menos dúctiles y menos tenaces que el acero.

Obtención de materiales férricos Para producir los materiales férricos se necesita:

Mineral de Hierro.

Carbón de coque.

Piedra caliza.

El mineral de hierro Los principales minerales de los que se extrae el hierro son:

Oligisto

Siderita

Limonita Magnetita

Pirita

El carbón de coque El carbón de coque actúa de combustible y como elemento aportador del carbono. El carbón de coque se obtiene de la hulla, en los hornos de coque.

Coque ya apagado

Horno de coque

Descarga del horno de coque

La piedra caliza La piedra caliza está formada principalmente por carbonato cálcico y se utiliza, además, como piedra para construcción y para fabricar cementos.

Sinterización del mineral de hierro Las partículas de mineral de hierro, junto con el carbón de coque y la piedra caliza se mezclan formado una masa porosa denominada sínter. Este proceso se denomina sinterización. Proceso de sinterización

Sinter Sinter

Obtención del arrabio Por el tragante de los altos hornos, se introduce el sínter, junto con chatarra de hierro. Se introduce aire por las toberas. Al quemar fueloil y el coque se produce calor que funde el mineral de hierro, que se deposita en el fondo. Al hierro fundido se le denomina arrabio. Se extrae por la piquera. La caliza reacciona con la ganga formando la escoria, que flota sobre el arrabio. La escoria se extrae por la bigotera. Alto horno

Obtención del arrabio

Panorámica de alto horno

Obtención del arrabio El arrabio se transporta en torpedos hasta el lugar donde se afina. Vaciado del arrabio sobre un carro torpedo

Salida de la escoria

Transformación del arrabio en productos Del arrabio se pueden obtener fundiciones y aceros. La fundición se obtiene por solidificación directa del arrabio. Para producir acero hay que reducir el contenido en carbono del arrabio en los convertidores, inyectando oxígeno para quemar el exceso de carbono. Este proceso se llama afino.

Convertidor Bessemer

Convertidor Bessemer

Fabricación de piezas por moldeo Existen tres procedimientos de solidificación del acero: Fabricación directa de piezas: se vierte el acero líquido sobre moldes con la forma de las piezas. Vertido en moldes

Desmoldeo

Colada sobre lingoteras Colada sobre lingoteras: se vierte el acero sobre moldes llamados lingoteras y luego se lamina en trenes desbastadores. Vertido en lingoteras

Tren desbastador

Colada continua Colada continua: el acero se vierte sobre un molde refrigerado con fondo desplazable. El producto se va solidificando al pasar por el molde y posteriormente.

Laminación del acero Consiste en hacer pasar los lingotes o la colada de acero entre rodillos giratorios para reducir la sección.

Los metales no férricos Cobre Cuprita

Estaño

Calcopirita

Casiterita

Cinc

Magnesio

Dolomita

Malaquita

Aluminio

Azurita

Bauxita

Blenda

Titanio

Rutilo

Cobre Propiedades Es un excelente conductor de la electricidad y del calor. Se suelda con facilidad. Es muy dúctil y maleable.

Aplicaciones Conductores eléctricos Tuberías Intercambiadores de calor

Estaño Propiedades Bajo punto de fusión. Se suelda con facilidad. Es inoxidable. Aplicaciones Soldadura de tuberías Soldadura de componentes eléctricos y electrónicos. En aleaciones (bronce) y recubrimientos (hojalata).

Aluminio Propiedades Ligero, blando y maleable. Resistente a la corrosión. No es tóxico. Aplicaciones Conductor eléctrico. Envase de alimentos y bebidas. Carpintería metálica

Cinc Propiedades Muy resistente a la corrosión. Aplicaciones Recubrimiento de tejados. Canalones, tubos y depósitos. Galvanizado del acero (capa protectora). En aleaciones (latón, plata alemana, calaminas,...)

Magnesio Propiedades Muy ligero y poco resistente. Muy inflamable. Se alea para aumentar su resistencia. Bastante caro.

Aplicaciones Llantas de ruedas. Pirotecnia y explosivos. Aplicaciones aeroespaciales.

Titanio Propiedades Muy resistente a la corrosión. Gran resistencia mecánica. Biocompatible. Muy caro. Aplicaciones Implantes médicos. Estructuras de aeronaves. Turbinas de aviones.

Latón Propiedades Aleación de cobre y cinc. Muy dúctil y maleable. Mayor resistencia mecánica que Cu o Zn. Aplicaciones Cerraduras. Bisagras, tornillos,... Accesorios de fontanería.

Bronce Propiedades Aleación de cobre y estaño. Resistente a la corrosión. Mayor resistencia mecánica que Cu o Sn. Aplicaciones Monumentos. Campanas. Cojinetes, bombas,...

Duraluminio Propiedades Aleación de aluminio, cobre y magnesio. Mayor resistencia mecánica que el Al. Aplicaciones Estructuras de aviones. Llantas de camiones. Artículos de ortopedia.

Técnicas de fabricación con metales

Moldeo a la cera perdida

Moldeo por inyección a presión Se utiliza para aleaciones ligeras como las de aluminio o aleaciones con bajo punto de fusión.

Moldeo por extrusión El metal semifundido se empuja con un pistón hidráulico para hacerlo salir por una boquilla con la forma deseada. Su usa para perfiles y tubos.

Deformación por forja

Forja de grandes dimensiones

Estampación

Troquelado

Embutición

Curvado

Plegado

Trefilado

Limado

Limado correcto a 45º Lima para metal

Lima para madera (escofina)

Taladrado

Fresado

Torneado

Esmerilado y desbarbado

Rectificado

Tronzado

Cizallado

Oxicorte

Unión por soldadura eléctrica

Unión por soldadura eléctrica

Unión por soldadura eléctrica

Unión por soldadura oxiacetilénica

Soldadura blanda con soldador de gas Decapantes y fundentes

Soldadura blanda con soldador eléctrico

Unión remachada

Unión atornillada

Tornillo rosca madera

Tornillo-tuerca rosca métrica

Tornillo autorroscante

Tornillo rosca chapa