Descripción de materiales metálicos para el diseño y desarrollo de productos. Tecnología de Materiales 2014.

1. Alberto Rossa
Laboratorio de
Innovación Tecnológica
Metales
Introducción a los

2. Definición
Se denomina metal a los elementos químicos caracterizados por ser
buenos conductores del calor y la electricidad. Poseen alta densidad
y son sólidos en temperaturas normales (excepto el mercurio); sus
sales forman iones electropositivos (cationes) en disolución.
La ciencia de materiales define un metal como un material en el que
existe un solapamiento entre la banda de valencia y la banda de
conducción en su estructura electrónica (enlace metálico). Esto le da
la capacidad de conducir fácilmente calor y electricidad, y
generalmente la capacidad de reflejar la luz, lo que le da su peculiar
brillo.

3. Un enlace metálico es un enlace químico que mantiene unidos los átomos
(unión entre núcleos atómicos y los electrones de valencia, que se juntan
alrededor de éstos como una nube) de los metales entre sí.
Estos átomos se agrupan de forma muy cercana unos a otros, lo que produce
estructuras muy compactas. Se trata de líneas tridimensionales que adquieren
estructuras tales como: la típica de empaquetamiento compacto de esferas
(hexagonal compacta), cúbica centrada en las caras o la cúbica centrada en el
cuerpo.
Los metales poseen algunas propiedades características que los diferencian de
los demás materiales. Suelen ser sólidos a temperatura ambiente, excepto el
mercurio, y tienen un punto de fusión alto.
Tipos de enlace
Iónico
Se establece cuando se combinan
entre sí átomos de metal con
átomos de NO metal
Metálico
Se establece cuando se combinan
entre sí átomos de metal
Covalente
Se establece cuando se combinan
entre sí átomos de NO metal

4. Brillo metálico
Los átomos del metal en estado elemental no son estables
Por eso ceden sus electrones “de sobra” a la superficie del metal, lo que
da lugar al brillo característico característico de los metales.

5. Metales como el oro, la plata y el cobre, fueron utilizados desde la
prehistoria. Al principio, sólo se usaron los que se encontraban
fácilmente en estado puro (en forma de elementos nativos), pero
paulatinamente se fue desarrollando la tecnología necesaria para
obtener nuevos metales a partir de sus menas, calentándolos en un
horno mediante carbón de madera.
El primer gran avance se produjo con el descubrimiento del bronce,
fruto de la utilización de mineral de cobre con incursiones de estaño,
entre 3500 a. C. y 2000 a. C., en diferentes regiones del planeta,
surgiendo la denominada Edad del Bronce, que sucede a la Edad de
Piedra.
Otro hecho importante en la historia fue la utilización del hierro, hacia
1400 a. C. Los hititas fueron uno de los primeros pueblos en utilizarlo
para elaborar armas, tales como espadas, y las civilizaciones que
todavía estaban en la Edad del Bronce, como los egipcios
No obstante, en la antigüedad no se sabía alcanzar la temperatura
necesaria para fundir el hierro, por lo que se obtenía un metal impuro
que había de ser moldeado a martillazos. Hacia el año 1400 AC se
empezaron a utilizar los hornos provistos de fuelle, que permiten
alcanzar la temperatura de fusión del hierro, unos 1535 °C.

6. Los metales poseen ciertas propiedades físicas características, entre ellas son
conductores de la electricidad. La mayoría de ellos son de color grisáceo, pero
algunos presentan colores distintos; el bismuto (Bi) es rosáceo, el cobre (Cu)
rojizo y el oro (Au) amarillo. En otros metales aparece más de un color; este
fenómeno se denomina policromismo.
Otras propiedades serían:
Maleabilidad: capacidad de los metales de hacerse láminas al ser sometidos a
esfuerzos de compresión.
Ductilidad: propiedad de los metales de moldearse en alambre e hilos al ser
sometidos a esfuerzos de tracción.
Tenacidad: resistencia que presentan los metales al romperse o al recibir
fuerzas bruscas (golpes, etc.)
Resistencia mecánica: capacidad para resistir esfuerzo de tracción,
compresión, torsión y flexión sin deformarse ni romperse.
Suelen ser opacos o de brillo metálico, tienen alta densidad, son dúctiles y
maleables, tienen un punto de fusión alto, son duros, y son buenos conductores
(calor y electricidad).
Propiedades

8. Una aleación es una combinación, de propiedades
metálicas, que está compuesta de dos o más
elementos, de los cuales, al menos uno es un metal.
Las aleaciones están constituidas por elementos
metálicos como Fe (hierro), Al (aluminio), Cu (cobre),
Pb (plomo), ejemplos concretos de una amplia gama
de metales que se pueden alear. El elemento aleante
puede ser no metálico, como: P (fósforo), C
(carbono), Si (silicio), S (azufre), As (arsénico).
Las aleaciones presentan brillo metálico y alta conductividad eléctrica y
térmica, aunque usualmente menor que los metales puros. Las propiedades
físicas y químicas son, en general, similares a la de los metales, sin embargo
las propiedades mecánicas tales como dureza, ductilidad, tenacidad y
otras pueden ser muy diferentes, de ahí el interés que despiertan estos
materiales.
Aleaciones

9. Cobre
El cobre cuyo símbolo es Cu, es el elemento químico de número atómico 29. Se
trata de un metal de transición de color rojizo y brillo metálico que, junto con la
plata y el oro, forma parte de la llamada familia del cobre, se caracteriza por ser
uno de los mejores conductores de electricidad (el segundo después de la
plata). Gracias a su alta conductividad eléctrica, ductilidad y maleabilidad, se ha
convertido en el material más utilizado para fabricar cables eléctricos y otros
componentes eléctricos y electrónicos.
El cobre forma parte de una cantidad muy elevada de aleaciones que
generalmente presentan mejores propiedades mecánicas, aunque tienen una
conductividad eléctrica menor. Las más importantes son conocidas con el
nombre de bronces y latones. Por otra parte, el cobre es un metal duradero
porque se puede reciclar un número casi ilimitado de veces sin que pierda sus
propiedades mecánicas

10. Las aleaciones de cobre pueden
adaptarse a casi cualquier aplicación.
Existen más de 400 aleaciones de
cobre, cada una con una combinación
única de propiedades, que se adaptan
a un gran número de aplicaciones,
procesos de fabricación y entornos.
Para hacer que el cobre sea lo más
versátil posible, se pueden modificar
sus características originales en función
del uso final que se le quiera dar,
aleándolo o "mezclándolo" con otros
metales. Dos de las aleaciones de
cobre más conocidas, son el latón
(donde se mezcla con zinc) y el bronce
(donde se mezcla con estaño).

11. Video El Cobre

12. El latón, es una aleación de cobre, cinc (Zn) y, en menor proporción, otros metales. Se
obtiene mediante la fundición de sus componentes en un crisol o mediante la fundición
y reducción de menas sulfurosas en un horno de reverbero o de cubilote. En los
latones industriales, el porcentaje de Zn se mantiene siempre inferior a 50%.
El latón es más duro que el cobre, pero fácil de
mecanizar, grabar y fundir. Es resistente a la
oxidación, a las condiciones salinas y es maleable,
por lo que puede laminarse en planchas finas. Su
maleabilidad varía la temperatura y con la presencia,
incluso en cantidades mínimas, de otros metales en
su composición.
El latón no produce chispas por impacto mecánico,
una propiedad atípica en las aleaciones. Esta
característica convierte al latón en un material
importante en la fabricación de envases para la
manipulación de compuestos inflamables, cepillos de
limpieza de metales y en pararrayos.
Latón

13. Las aleaciones en cuya composición
predominan el cobre y el estaño (Sn) se
conocen con el nombre de bronce y son
conocidas desde la antigüedad. Hay muchos
tipos de bronces que contienen además
otros elementos como aluminio, berilio,
cromo o silicio. El porcentaje de estaño en
estas aleaciones está comprendido entre el 2
y el 22%. Son de color amarillento y las
piezas fundidas de bronce son de mejor
calidad que las de latón, pero son más
difíciles de mecanizar y más caras.
El bronce se emplea especialmente en aleaciones conductoras del calor, en
baterías eléctricas y en la fabricación de válvulas, tuberías y uniones de
fontanería. Algunas aleaciones de bronce se usan en uniones deslizantes,
como cojinetes y descansos, discos de fricción; y otras aplicaciones donde
se requiere alta resistencia a la corrosión como rodetes de turbinas o
válvulas de bombas, entre otros elementos de máquinas. En algunas
aplicaciones eléctricas es utilizado en resortes.
Bronce

14. Video El Bronce

15. Las alpacas o platas alemanas son aleaciones de cobre, níquel (Ni) y zinc (Zn), en una
proporción de 50-70% de cobre, 13-25% de níquel, y 13-25% de zinc. Sus propiedades
varían de forma continua en función de la proporción de estos elementos en su
composición, pasando de máximos de dureza a mínimos de conductividad. Estas
aleaciones tienen la propiedad de rechazar los organismos marinos (antifouling). Si a estas
aleaciones de cobre-níquel-zinc se les añaden pequeñas cantidades de aluminio o hierro
constituyen aleaciones que se caracterizan por su resistencia a la corrosión marina, por lo
que se utilizan ampliamente en la construcción naval, principalmente en condensadores y
tuberías, así como en la fabricación de monedas y de resistencias eléctricas.
Las aleaciones de alpaca tienen una buena resistencia a la corrosión y buenas cualidades
mecánicas. Su aplicación se abarca materiales de telecomunicaciones, instrumentos y
accesorios de fontanería y electricidad, como grifos, abrazaderas, muelles, conectores.
También se emplea en la construcción y ferretería, para elementos decorativos y en las
industrias químicas y alimentarias, además de materiales de vajillas y orfebrería.
Alpaca

16. Hierro
El hierro es un elemento químico de número
atómico 26 situado en el grupo 8, periodo 4 de la
tabla periódica de los elementos. Su símbolo es
Fe y tiene una masa atómica de 55,6 u.
Es un metal maleable, de color gris plateado y
presenta propiedades magnéticas; es
ferromagnético a temperatura ambiente y presión
atmosférica. Es extremadamente duro y denso.
Se encuentra en la naturaleza formando parte de
numerosos minerales, entre ellos muchos óxidos,
y raramente se encuentra libre. Para obtener hierro
en estado elemental, los óxidos se reducen con
carbono y luego es sometido a un proceso de
refinado para eliminar las impurezas presentes.

17. Video El Hierro

18. El término acero sirve comúnmente para denominar, en ingeniería metalúrgica, a
una aleación de hierro con una cantidad de carbono variable entre el 0,03 % y el
1,075 % en peso de su composición, dependiendo del grado. Si la aleación
posee una concentración de carbono mayor al 2,0 % se producen fundiciones
que, en oposición al acero, son mucho más frágiles y no es posible forjarlas sino
que deben ser moldeadas.
No se debe confundir el acero con el hierro, que es un metal relativamente duro y
tenaz, con temperatura de fusión de 1535 °C y punto de ebullición 2740 °C. Por
su parte, el carbono es un no metal, blando y frágil en la mayoría de sus formas
alotrópicas (excepto en la forma de diamante). La difusión de este elemento en la
estructura cristalina del anterior se logra gracias a la diferencia en diámetros
atómicos, formándose un compuesto intersticial.
Acero

19. La diferencia principal entre el hierro y el acero se halla en el porcentaje del
carbono: el acero es hierro con un porcentaje de carbono de entre el 0,03% y el
1,075%, a partir de este porcentaje se consideran otras aleaciones con hierro.
Cabe destacar que el acero posee diferentes constituyentes según su
temperatura, concretamente, de mayor a menor dureza, perlita, cementita y
ferrita; además de la austenita.
El acero conserva las características metálicas del hierro en estado puro, pero la
adición de carbono y de otros elementos tanto metálicos como no metálicos
mejora sus propiedades físico-químicas.

22. Producción mundial de acero (2007), millones de tons. metricas

24. Video El Acero

25. En metalurgia, el acero inoxidable se define como una aleación de acero
con un mínimo del 10 % al 12 % de cromo contenido en masa. Otros metales
que puede contener por ejemplo son el molibdeno y el níquel.
El acero inoxidable es un acero de elevada resistencia a la corrosión, dado
que el cromo, u otros metales aleantes que contiene, poseen gran afinidad
por el oxígeno y reacciona con él formando una capa pasivadora, evitando así
la corrosión del hierro (los metales puramente inoxidables, que no reaccionan
con oxígeno son oro y platino, y de menor pureza se llaman resistentes a la
corrosión, como los que contienen fósforo). Sin embargo, esta capa puede
ser afectada por algunos ácidos, dando lugar a que el hierro sea atacado y
oxidado por mecanismos intergranulares o picaduras generalizadas. Algunos
tipos de acero inoxidable contienen además otros elementos aleantes; los
principales son el níquel y el molibdeno.
Acero
inoxidable

26. Oro
Es un metal precioso blando de color amarillo. Su símbolo es Au (del latín
aurum, ‘brillante amanecer’).
Es un metal de transición blando, brillante, amarillo, pesado, maleable y
dúctil. El oro no reacciona con la mayoría de los productos químicos, pero es
sensible y soluble al cianuro, al mercurio y al agua regia, cloro y a la
lavandina. Este metal se encuentra normalmente en estado puro, en forma de
pepitas y depósitos aluviales.
El oro es uno de los metales tradicionalmente empleados para acuñar
monedas; se utiliza en la joyería, la industria y la electrónica por su resistencia
a la corrosión. Se ha empleado como símbolo de pureza, valor, realeza, etc.
El principal objetivo de los alquimistas era producir oro partiendo de otras
sustancias como el plomo.

27. Video El Oro

28. AluminioEl aluminio es un elemento químico, de símbolo Al y número
atómico 13. Se trata de un metal no ferromagnético. Es el
tercer elemento más común encontrado en la corteza
terrestre. Los compuestos de aluminio forman el 8% de la
corteza de la tierra y se encuentran presentes en la mayoría de
las rocas, de la vegetación y de los animales. En estado
natural se encuentra en muchos silicatos (feldespatos y micas).
Como metal se extrae únicamente del mineral conocido con el
nombre de bauxita, por transformación primero en alúmina
mediante el proceso Bayer y a continuación en aluminio
metálico mediante electrólisis. Este metal posee una
combinación de propiedades que lo hacen muy útil en
ingeniería de materiales, tales como su baja densidad
(2.700 kg/m3) y su alta resistencia a la corrosión. Mediante
aleaciones adecuadas se puede aumentar sensiblemente su
resistencia mecánica (hasta los 690 MPa). Es buen conductor
de la electricidad y del calor, se mecaniza con facilidad y es
muy barato. Por todo ello es desde mediados del siglo XX el
metal que más se utiliza después del acero.

29. El proceso Bayer es el principal método industrial para producir alúmina a
partir de bauxita. Patentado por el austriaco Karl Bayer en 1889 y basado
en la disolución de la bauxita con hidróxido sódico, este proceso se fue
imponiendo hasta convertirse, a partir de los años 1960, en la única fuente
industrial de alúmina y por tanto de aluminio en el mundo.

30. Video El Aluminio

31. Aplicaciones

32. Envase de hoja de lata
Lata LaCarre©, 1999
Corus Research
Reduce en 20% el espacio de la lata redonda
Pesa 15% menos que la lata tradicional

33. Aluminio
Audi A8, 1994
Primer auto comercial de carrocería
monocasco de Al
Ligero
Excelente resistencia a la corrosión
Reciclable 100%

35. Aluminio
Dúctil, fácil de formar aleaciones
Excelente resistencia a la corrosión
Excelente conductor de la electricidad y el calor
Reciclable

36. MacBook
Proceso de fabricación
Octubre 2008

37. Espuma de Al
Alusion©
100% reciclable
Puede ser post-formada usando calor
Densidades variables

38. Alucobond
Estructura sandwich de Al + polímero
Ligero
Flamabilidad aprobada para
construcción
Varios colores
Resistente a exteriores
Reciclable

39. Espuma de Al
Duocel©
10% del peso del Al sólido
Puede ser cortada, perforada, etc.
Variedades de acabados

40. Adhesivos para metales
Chasis Lotus, 1996
Al con adhesivo epóxico
Permite secciones de paredes más delgadas
Ensamblaje limpio
No existe distorsión

41. Acero inoxidable
Sin corrosión
No requiere acabado/terminado
Excelente dureza
Puede usarse con diferentes procesos de prod.

42. Titanio
Excelente resistencia a la corrosión
Buena maleabilidad
40% más ligero que el acero y 60% mas
resistente que el Al
Baja conductividad eléctrica
Bajo índice de expansión térmica

43. Acero inoxidable

44. Pantallas metálicas
Decorativas
Variado rango de estilos de tejido
Inflamables
Extremadamente durables
Fáciles de limpiar
Anti-graffitti

45. Tejido metálico
Alto potencial decorativo
Se puede añadir resina para formar un laminado

46. Al reciclado
Sillas Transit, 2000
Producción de baja tecnología
Hecho a mano

47. Cromo
Pulido fino
Excelente resistencia a la corrosión
Durable
Fácil de limpiar

48. Troquelado
Sillas de Al
Las hojas son cortadas y dobladas en una sola
operación
Alto costo de maquinaria
Ideal para piezas grandes
Amplia variedad de espesores

49. Acero inoxidable
Producción a la cera perdida
Produce formas complejas
Bajo costo de moldes y manufactura
Ideal para bajas producciones

50. Zinc
Es el tercer metal no-ferroso más empleado
después del Al
Excelente moldeo
Excelente resistencia a la corrosión
Económico
Fácil de producir aleaciones
Higiénico
Maleable a 100ºC

51. Extrusión por impacto
Proceso desarrollado por Sigg©, 2004
Tolera variaciones de espesores de paredes
Producción rápida
Bajo costo unitario
Bajo costo de herramental

52. Hoja de metal recubierta
Diseño: George Walker, 2002
Corus©

54. Sustentabilidad

55. Ciclo del acero en Europa (2010)
Cifras en millones de Tns. / Vida útil, v = número de años

56. Diseño conceptual “Future Steel Vehicle”. En los nuevos diseños
estructurales para automóviles se pretende ahorrar un 35% de
peso la vez que reducir las emisiones totales durante la vida del
vehículo en un 70%

65. Reciclaje aluminio en el mundo (2012)

70. Fin?