Materiales: Tipos y propiedades
Los materiales constituyen cualquier producto de uso cotidiano y desde el origen de los tiempos han sido utilizados por el hombre para mejorar su nivel de vida. Al principio, éstos se encontraban espontáneamente en la naturaleza: la madera, la piedra, el hueso, el cuerno o la piel. Más tarde se empezaron a emplear otros materiales más elaborados como la arcilla, la lana o las fibras vegetales, para llegar más tarde al empleo de los metales y las aleaciones y terminando, con la revolución industrial, con el auge del uso del acero por encima de todos los demás materiales.
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Se tiene que tener la mayor información posible para que cuando debamos optar por un material, para fabricar un objeto, un útil, o una máquina, la elección sea acertada, reuniendo el material todas las características que precise.
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La obtención de nuevos materiales y los procesos productivos para su transformación en productos finales es un fin de la tecnología. Para ello es necesario conocer sus orígenes, propiedades, características y comportamiento ante los distintos tipos de requerimientos. Se han desarrollado innumerables materiales diferentes con características muy especiales para satisfacer necesidades muy concretas de nuestra compleja sociedad, metales, plásticos, vidrios y fibras. Actualmente los adelantos electrónicos más sofisticados se basan en el uso de semiconductores.
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1. Tipos de materiales
Para clasificar los materiales se pueden adoptar varios criterios. Atendiendo a su origen se distinguen los: Materiales naturales. Materiales sintéticos artificiales.
Materiales naturales son los que se encuentran en la naturaleza, pudiendo estar en el subsuelo, sobre la tierra o en el mar. A partir de ellos se obtienen los demás productos. Pertenecen a este grupo la madera, el hierro, el algodón, el carbón…
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Aunque esto materiales se encuentran en la naturaleza, para poder hacer uso de ellos se deben prospectar, localizar, extraer y obtener. Hay que ser conscientes de que se tiene que hacer un uso racional de estos materiales, ya que si bien algunos de ellos son renovables (lana, madera…), hay otros que no lo son (petróleo, metales,…) y dejarán de existir con el paso del tiempo.
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Materiales sintéticos artificiales son los que han sido obtenidos por el hombre a partir de materiales naturales por medio de procesos físicos y químicos. Son materiales sintéticos artificiales el hormigón, que se obtiene a partir de la mezcla de arena, grava, cemento y agua, o la baquelita obtenida por reacción química del fenol y el formol.
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La sociedad actual exige el continuo desarrollo de técnicas para obtener nuevos materiales que atiendan a necesidades cada vez más estrictas: soportar temperaturas muy elevadas, ser más resistentes a la corrosión, operar a mayores velocidades, emplear productos más ligeros…
Contesta a este pequeño cuestionario sobre los materiales naturales y los artificiales para asentar los conocimientos.
Los materiales naturales se encuentran de forma ilimitada en la naturaleza. Verdadero
Falso
Los materiales sintéticos se obtienen a partir de los materiales naturales. Verdadero
Falso
Los materiales sintéticos se obtienen mezclando los naturales. Verdadero
Falso
El hombre está buscando nuevos materiales naturales para afrontar las exigencias que conlleva el avance tecnológico. Verdadero
Falso
El plástico es un material natural porque proviene del petróleo, y el petróleo se encuentra en la naturaleza. Verdadero
Falso
El lino es un material artificial porque el hombre tiene que plantarlo y cultivarlo. Verdadero
Falso
2. Propiedades de los materiales
Los materiales se diferencian entre sí por sus propiedades. Las propiedades de los materiales se pueden agrupar en base a distintos criterios. Nosotros, desde un punto de vista técnico, vamos a establecer la siguiente clasificación: Propiedades sensoriales Propiedades físico químicas Propiedades mecánicas Propiedades tecnológicas A continuación estudiaremos cada una de ellas.
Propiedades sensoriales Son aquellas que están relacionadas con la impresión que causa el material en nuestros sentidos. Son propiedades sensoriales el color, el brillo, el olor y la textura.
Diferentes brillos
Diferentes texturas
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Podríamos decir que estas propiedades son las menos "importantes", ya que, al hacer referencia al aspecto externo del material, tienen un componente más estético que técnico. Pero, como todos sabemos, en nuestra sociedad de consumo, las cosas nos entran por los ojos, y por eso a un producto le pedimos, además de que cumpla unas condiciones determinadas, que sea atractivo, y es ahí donde entran en juego las propiedades sensoriales.
Responde a estas sencillas preguntas sobre las propiedades sensoriales
Las propiedades sensoriales no son importantes a la hora de seleccionar un material para construir algo. Verdadero
Falso
El que el cristal de una ventana sea transparente hace referencia a una propiedad sensorial. Verdadero
Falso
Las propiedades sensoriales son "subjetivas" y no se pueden medir. Verdadero
Falso
2.1. Propiedades físico químicas
Propiedades fisicoquímicas Son las que nos informan sobre el comportamiento del material ante diferentes acciones externas, como el calentamiento, las deformaciones o el ataque de productos químicos. Estas propiedades son debidas a la estructura microscópica del material; es la configuración electrónica de un átomo la que determina los tipos de enlaces atómicos y son éstos los que contribuyen a forjar las propiedades de cada material.
Calor específico Es la cantidad de energía necesaria para aumentar 1ºC la temperatura de un cuerpo. Indica la mayor o menor dificultad que presenta dicha sustancia para experimentar cambios de temperatura bajo el suministro de calor.
Conductividad eléctrica Es la capacidad de un cuerpo de permitir el paso de la corriente eléctrica a su través. Según esta propiedad los materiales pueden ser conductores (cobre, aluminio), aislantes (mica, papel) o semiconductores (silicio, germanio).
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El ejemplo de la tijera de electricista es muy representativo. Utiliza un material conductor para lo que es la tijera, debido a sus propiedades de resistencia mecánica, pero un material aislante en la zona donde las agarramos, para evitar problemas de descargas eléctricas cuando las utilizamos.
Conductividad térmica Es la capacidad de un cuerpo de permitir el paso del calor a su través. El material del que están hechas las sartenes, ollas..., debe ser conductor térmico, para que transmita el calor desde el fuego hasta los alimentos.
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Magnetismo Según el comportamiento ante los campos magnéticos, los materiales pueden ser: diamagnéticos (oro, cobre), cuando se oponen a un campo magnético aplicado, de modo que en su interior se debilita el campo Imagen 16. Isftic. Creative paramagnéticos (aluminio, platino) cuando el campo Commons. magnético en su interior es algo mayor que el aplicado ferromagnéticos (hierro, níquel) cuando el campo se ve reforzado en el interior de los materiales. Estos materiales se emplean como núcleos magnéticos en transformadores y bobinas en circuitos eléctricos y electrónicos.
Ópticas Son las que determinan la aptitud de un material ante el paso de la luz a su través. Un material puede ser transparente, (vidrio, celofán) cuando permite ver claramente objetos situados tras él, traslúcido (alabastro, mármol) cuando deja pasar la luz pero no permite ver nítidamente a su través y opaco (madera,cartón) cuando impide que la luz lo atraviese.
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Peso específico Es la relación entre la masa y el volumen de un material, y se conoce con el nombre de densidad.
DENSIDAD DE ALGUNOS MATERIALES (kg/m3) Madera de abeto 430
Aluminio
2.680
Aceite de oliva
915
Titanio
4.450
Agua destilada
1.000 Acero fundido 7.880
Ácido sulfúrico
1.848 Cobre
8.900
Magnesio
1.740 Plomo
11.340
¿Qué pesa más, un kilo de hierro o un kilo de paja? ¿Cuántas veces nos han hecho esta pregunta? ¿Y cuántas veces nos hemos equivocado? Todos sabemos que pesan igual, pero... Lo que sucede es que tienen un peso específico muy diferente (la misma masa ocupa volúmenes muy distintos), y si contestamos sin pensar...podemos llegar a decirlo mal.
Un determinado material cuyo volumen es 1.84 dm3 presenta una masa de 4,93 kg, ¿Cuál es su densidad? ¿De qué material se trata? RECUERDA: la densidad se define como la relación existente entre masa y volumen.
Un recipiente contiene 735 cm3 de un fluido, se introduce en él una esfera cuyo peso es 591 g y se comprueba que el nivel del depósito asciende hasta 810 cm3 . ¿De qué material es la esfera introducida?
Un cubo de 50 mm de lado tiene una masa de 1.35 kg y otro de 60 mm de 1.43 kg. Si ambos se sumergiesen en agua simultáneamente, ¿cuál de los dos se hundiría más rápidamente?
Dilatación térmica Es la variación de dimensiones que sufren los materiales cuando se modifica su temperatura. Esta variación viene dada por la expresión:
Donde Li es la longitud inicial, k el coeficiente de dilatación lineal (depende de cada material) y ∆T es el incremento de temperatura. En la siguiente tabla tienes los coeficientes de dilatación de materiales usuales. COEFICIENTE DE DILATACIÓN LINEAL (ºC-1) Vidrio
8.4 10-6
Madera
3.9 10-6
Acero
1.2 10-5
Fundición
1.3 10-5
Cobre
1.7 10-5
Zinc
3.1 10-5
¿Te imaginas que pasaría si, cuando hiciera mucho calor, las vías del tren se dilataran?
El agua, en lo que a la dilatación se refiere, no sigue la conducta de los demás cuerpos. En este enlace tienes una pequeña explicación de cuál es el motivo y de por qué es providencial para la vida marina en las zonas árticas.
En el tendido de una línea de ferrocarril cuyos raíles son de fundición, ¿a qué distancia mínima se deben colocar dos raíles consecutivos si tienen una longitud de 30 m y la temperatura en la zona oscila entre 38ºC en verano y -13ºC en invierno? AYUDA: La distancia mínima a que deben colocarse dos raíles es justo la longitud que la fundición se puede dilatar en verano.
En una línea de distribución eléctrica la longitud del cable de cobre entre dos apoyos es de 112 m. Si la temperatura ambiente es de 13ºC, ¿Cuál es la máxima temperatura que puede alcanzar, si no debe incrementar su longitud más de 30 mm?
Punto de congelación Es la temperatura a la cual un líquido se transforma en sólido. El agua, por ejemplo, tiene su punto de congelación, como todos sabemos, en 0ºC.
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Punto de ebullición Es la temperatura a la cual un líquido se transforma en gas.
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Punto de fusión Es la temperatura a la cual un cuerpo en estado sólido se transforma en líquido. TEMPERATURA DE FUSIÓN (ºC) Fósforo
44
Vidrio
450
Azufre
111 Aluminio
660
Estaño
231 Cobre
1083
Plomo
327 Hierro
1539
Zinc
419 Titanio
1800
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Resistencia a la corrosión La corrosión es el comportamiento que tienen los materiales al estar en contacto con determinados productos químicos, especialmente ácidos en ambientes húmedos.
Resistencia a la oxidación La oxidación es la capacidad de los materiales a ceder electrones ante el oxígeno de la atmósfera.
¿Qué propiedades físico-químicas son determinantes a la hora de elegir el material para construir una cazuela? El punto de fusión El coeficiente de dilatación Conductividad térmica Ver solución
¿Qué propiedades físico-químicas son determinantes a la hora de elegir el material para construir una silla para el jardín? Peso específico Conductividad térmica Resistencia a la oxidación Ver solución
¿Qué propiedades físico-químicas son determinantes a la hora de elegir el material para construir una puerta? Conductividad eléctrica El coeficiente de dilatación Ópticas Ver solución
2.2 Propiedades mecánicas
Propiedades mecánicas Son las que describen el comportamiento de un material ante las fuerzas aplicadas sobre él, por eso son especialmente importantes al elegir el material del que debe estar construido un determinado objeto.
Tenacidad / Fragilidad Ponemos estas dos propiedades juntas porque son "opuestas". Tenacidad es la capacidad de un material de soportar, sin deformarse ni romperse, los esfuerzos bruscos que se le apliquen. Fragilidad es la facilidad para romperse un material por la acción de un impacto.
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Elasticidad / Plasticidad Elasticidad es la capacidad de algunos materiales para recobrar su forma y dimensiones primitivas cuando cesa el esfuerzo que les había deformado. Plasticidad es la aptitud de los materiales de adquirir deformaciones permanentes, es decir de no recobrar su forma y dimensiones primitivas cuando cesa el esfuerzo que les había deformado.
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Dureza Dureza es la oposición que presenta un material a ser rayado por otro.
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Fíjate que el lenguaje cotidiano no se corresponde muchas veces con el lenguaje técnico. Nosotros solemos decir que el cristal, como se rompe muy fácilmente, es poco duro. Pero técnicamente eso no es correcto; el cristal es duro, porque no se raya con facilidad. Por romperse con facilidad es frágil.
Fatiga La fatiga es una propiedad que nos indica el comportamiento de un material ante esfuerzos, inferiores al de rotura, pero que actúan de una forma repetida.
Un puente está sometido a fatiga porque, cuando un coche pasa por él, está sometido a una carga, y cuando no pasa, no. De esta forma el puente está sometido a un esfuerzo de una forma continua y repetida. Cuando el material del puente sobrepasa el límite de fatiga, falla de una forma casi instantánea.
Estas preguntas te ayudarán a comprender mejor las propiedades mecánicas.
Un material tenaz puede ser elástico. Verdadero
Falso
Un material duro no tiene por qué ser tenaz. Verdadero
Falso
Un material elástico no puede ser plástico. Verdadero
Falso
2.3 Propiedades tecnológicas
Propiedades tecnológicas Son las que nos indican la disposición de un material para poder trabajar con él o sobre él.
Ductilidad
Maleabilidad
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Ductilidad Es la propiedad que presentan algunos metales de poder estirarse sin romperse, permitiendo obtener alambres o hilos. Maleabilidad Es la posibilidad que presentan algunos metales de separarse en láminas delgadas sin romperse. Resiliencia Es una medida de la energía que se debe aportar a un material para romperlo. Resistencia mecánica Es la capacidad que tiene un material de soportar los distintos tipos de esfuerzo que existen sin deformarse permanentemente. Soldabilidad Es la posibilidad que tienen algunos materiales para poder ser soldados. Colabilidad Es la aptitud que tiene un material fundido para llenar un molde. Mecanibilidad Es la facilidad de algunos materiales para ser mecanizados por arranque de viruta. También se le llama maquinabilidad. Acritud Es el aumento de dureza y fragilidad que adquieren los materiales cuando son deformados en frío.
¿En qué situaciones tendremos que tener en cuenta la acritud de un material?
Cuando va a ser conformado en un torno Cuando va a ser conformado por forja Cuando va a ser conformado por fundición.
La maleabilidad es:
La propiedad de separarse un material en láminas. La propiedad de estirarse un material en hilos. La capacidad de un material de llenar un molde.
Un material que tiene colabilidad tiene mecanibilidad.
Siempre Algunas veces Nunca
3. Composición de la materia: Estructuras cristalinas
Todos los metales, excepto el mercurio, se encuentran en estado sólido a temperatura ambiente. Esto se debe a que sus átomos ocupan unas posiciones espaciales de equilibrio predeterminadas, y a estas posiciones espaciales de equilibrio las llamamos redes cristalinas.
Imagen 31. Wikimedia. Creative Commons. Imagen 32. Wikimedia. Creative Commons.
En los metales son comunes tres redes cristalinas: Red cúbica centrada en el cuerpo (BCC) Red cúbica centrada en las caras (FCC) Red hexagonal compacta (HC)
Red cúbica centrada en el cuerpo, BCC. (Body Centered Cube) Los átomos conforman una estructura con forma de cubo y en ella un átomo ocupa el centro geométrico del cubo y otros ocupan cada uno de los ocho vértices.
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Como hemos visto, en este tipo de redes un átomo ocupa el centro geométrico del cubo y otros ocupan cada uno de los ocho vértices. Cada uno de estos ocho átomos pertenecen, al mismo tiempo, a cada uno de los ocho cubos que comparten el vértice. Por lo tanto, cada cristal de esta red tiene realmente el equivalente a dos átomos.
Metales que cristalizan en este sistema son, por ejemplo, hierro α, cromo, titanio, molibdeno, tungsteno, niobio, vanadio, cromo, circonio, talio, sodio y potasio. Todos ellos tienen como característica común el ser muy resistentes a la deformación.
Red cúbica centrada en las caras, FCC. (Face Centered Cube) En éstas un átomo ocupa el centro de cada una de las seis caras y otro ocupa cada uno de los ocho vértices.
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En estas redes, el átomo que ocupa el centro de cada una de las seis caras pertenece, realmente, a los dos cristales que comparten cara, y el átomo que ocupa cada uno de los ocho vértices pertenece a los ocho cristales que comparten vértice, por lo que realmente estos cristales tienen el equivalente a cuatro átomos.
Los metales que cristalizan en esta red son fácilmente deformables. Ejemplos de metales con estructura FCC son el hierro γ, el cobre, la plata, el platino, el oro, el plomo, el níquel y el aluminio.
Red hexagonal compacta, HC. (Hexagonal Compact) Son aquellas en las que los átomos confoman una estructura con forma de prisma hexagonal, y presentan un átomo en el centro de cada base, un átomo en cada uno de los vértices del prisma y tres átomos más en un plano horizontal, interior al cristal.
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El átomo situado en el centro de cada base hexagonal es compartido por los dos cristales contiguos; el átomo de cada uno de los vértices es compartido por los seis cristales que concurren en el vértice, por lo que estas estructuras tienen el equivalente a seis átomos.
En este sistema cristalizan: cobalto, circonio, cadmio, magnesio, berilio y zinc, y tienen como característica común su gran resistencia a la deformación.
Algunos metales tienen la característica de que cambian de red de cristalización dependiendo de la temperatura a que se encuentren. Cuando ocurre eso decimos que el metal es politrópico, y a cada uno de los sistemas en que cristaliza el metal se le llaman estados alotrópicos. Un ejemplo de metal politrópico es el hierro. A partir de 1539 ºC cristaliza en la red cúbica centrada en el cuerpo (BCC) y a esta variedad alotrópica se le llama Fed Al llegar a los 1400 ºC cambia de red de cristalización y cristaliza en la red cúbica centrada en las caras (FCC); a esta variedad alotrópica se le llama Feγ A partir de los 900 ºC tenemos el Feβ que cristaliza de nuevo en el BCC A los 210 ºC aparece el Feα que, aunque no cambia de red de cristalización, adquiere propiedades magnéticas que seguirá conservando a temperatura ambiente.
En esta pรกgina tienes explicada de un forma clara y breve cรณmo se crea la estructura cristalina de los metales. Tienes ademรกs algunas imรกgenes reales de esta estructura. http://www2.ing.puc.cl/~icm2312/apuntes/materiales/index.html
4. Modificación de las propiedades de los metales: Aleaciones
La industria precisa materiales con propiedades muy específicas y, por supuesto, con el menor coste posible. En general estas propiedades no son capaces de aportarlas los materiales simples, por lo que es preciso que se sometan a determinados procesos con el fin de mejorar estas características. Uno de estos procesos consiste en alearlos.
Una aleación es una mezcla homogénea de un metal en estado fundido con, al menos, otro elemento, que puede ser metálico o no, obteniendo un producto final que presenta características metálicas.
Las aleaciones se realizan fundiendo los diversos metales en un crisol y dejando luego solidificar, lentamente, la solución líquida. Se obtiene un material con una estructura granular cristalina formada por diferentes microconstituyentes como son: Cristales simples o de componentes puros. Cristalizan separadamente y cada cristal contiene un solo componente. Es el caso de la aleación llamada eutéctica, que es una mezcla íntima de cristales formada cada uno de ellos de un solo componente puro. Estas aleaciones son de poca aplicación práctica debido a sus malas propiedades mecánicas pero son las que tienen la temperatura de fusión más baja, por lo que se emplean casi exclusivamente para la soldadura blanda. El ejemplo típico lo constituye la aleación plomoImagen 36. Wikipedia. Creative Commons. estaño, empleada en la soldadura de componentes electrónicos. Cristales de elementos compuestos. Están formados por compuestos químicos de los componentes que forman la aleación, y no es posible distinguir separadamente los componentes originales. Un ejemplo es la cementita (Fe3 C) que aporta dureza a los aceros que la contienen. Cristales de solución sólida. Formados por una solución sólida de los componentes puros o por uno de ellos y un compuesto químico de ambos. Se forman debido a la solubilidad de los componentes en el estado sólido. Pueden ser soluciones sólidas por inserción, cuando los átomos de soluto ocupan los huecos dejados por los átomos de disolvente, o soluciones sólidas por sustitución, cuando los átomos de soluto sustituyen en las redes de átomos de disolvente a algunos de estos átomos. Cuando los cristales de solución sólida se forman con enfriamiento muy lento, tienen estructuras muy homogéneas y muy buenas propiedades mecánicas para ser empleados en la construcción de elementos de máquinas.
Las propiedades de las aleaciones dependen de su composición y del tamaño, forma y distribución de sus fases o microconstituyentes. La adición de un componente aunque sea en muy pequeñas proporciones, incluso menos de 1% pueden modificar enormemente las propiedades de dicha aleación.
En comparación con los metales puros, las aleaciones presentan algunas ventajas: Mayor dureza y resistencia a la tracción. Menor temperatura de fusión, por lo menos de uno de sus componentes. Pero también algunos inconvenientes: Son menores la ductilidad, la tenacidad y la conductividad térmica y eléctrica.
El estudio de las aleaciones se hace a través de los diagramas de fase. Los diagramas de fases son la forma de representar gráficamente la aleación y en ellos se observan las fases que están presentes en una aleación a diversas temperaturas y composiciones, siempre que se hayan obtenido en condiciones de enfriamiento o calentamiento lento. Aunque los diagramas de fase se estudian detenidamente en Tecnología Industrial II, adelantar que en el diagrama de fases que tenemos de ejemplo se observan tres zonas: La monofásica L, donde solamente existe líquido. La zona monofásica a, donde solamente existe sólido. La zona bifásica L+a, donde coexisten las dos fases. En esta zona, las composiciones químicas de cada una de las fases se indica mediante la intersección de la isoterma con la línea de límite de fase. La fracción en peso de cada fase en una región bifásica puede determinarse utilizando la regla de la palanca a lo largo de una isoterma a una temperatura determinada.
Las aleaciones:
Son la mezcla de dos materiales cualquiera. Son la mezcla de dos metales. Son la mezcla de dos metales, pero puede haber algún otro elemento más.
Las propiedades de las aleaciones dependen de:
La composición de la aleación. La proporción de los elementos que mezclamos y de las características de sus fases. La composición de la aleación y del tamaño de sus fases.
Las aleaciones se realizan para:
Mejorar las propiedades de los materiales de partida. Mejorar las propiedades tecnológicas de los materiales de partida. Mejorar algunas propiedades de los materiales de partida.
5. Tipos de esfuerzos
Cuando se diseña cualquier objeto o estructura se debe tener en cuenta que los elementos que lo forman van a estar sometidos a diferentes tipos de esfuerzos, cargas y acciones que deberán soportar.
En ocasiones en vez de emplear el concepto esfuerzo es más adecuado usar el concepto tensión, que resulta del cociente entre la fuerza aplicada y la sección sobre la que se aplica.
La tensión se mide en Pascales (Pa), que son equivalentes a los Newton/m2 .
Un pilar de sección cuadrangular de 30 cm de lado soporta un esfuerzo de compresión de 2.5 103 N. Calcula a qué tensión está sometido el pilar. AYUDA: Deberemos utilizar la expresión del esfuerzo
Determina la máxima fuerza de tracción que es posible ejercer sobre un cilindro metálico de 30 cm de diámetro, si la tensión máxima que puede soportar es de 3 105 N/m2.
Se tiene que utilizar un pilar de sección circular que debe soportar un esfuerzo de compresión de 2500 N. Si el esfuerzo máximo a compresión que soporta el material es de 63 103 N/m2 , ¿de qué diámetro deberíamos elegir el pilar?
Ahora vamos a ir viendo los distintos tipos de esfuerzos a que están sometidos los elementos estructurales.
Tracción Se dice que un tracción cuando estirarlo, como puente colgante techo.
elemento está sometido a un esfuerzo de sobre él actúan esfuerzos que tienden a sucede, por ejemplo, con los cables de un o con una lámpara que está colgada del
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Compresión Un elemento se encuentra sometido a compresión cuando sobre él se aplican fuerzas que tienden a provocar su Imagen 39. Fuente propia aplastamiento, como es el caso, de los pilares de nuestra casa, o de las patas de una silla cuando estamos sentados en ella. Cuando un elemento esbelto, es decir mucho más largo que ancho, es sometido a este tipo de esfuerzos puede sufrir importantes deformaciones características debidas a flexiones laterales llamadas pandeo.
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Flexión Este tipo de esfuerzos es el que se aplica sobre elementos que tienden a doblarse. Es una combinación de compresión y tracción, mientras que las fibras superiores de la pieza sometida a un esfuerzo de flexión se acortan (compresión), las inferiores se alargan (tracción), como sucede con una pasarela o en una estantería que se comba debido al peso de los libros.
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Torsión Es el tipo de esfuerzos que soportan los elementos que tienden a ser retorcidos sobre su eje central, es el caso de los ejes, los cigüeñales y las manivelas o de un bote cuando abrimos su tape de rosca.
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Cortadura o cizalladura Es el esfuerzo que al ser aplicado sobre un elemento provoca su desgarro o corte. Se produce cuando sobre el mismo plano se aplican esfuerzos en sentidos opuestos. Es el caso de la bola de enganche de una caravana o simplemente del corte con una tijera. Imagen 45. Fuente propia.
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Estudia estas dos imĂĄgenes y determina a quĂŠ tipo de esfuerzos estĂĄn sometidos los distintos elementos de estas estructuras.
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6. Ensayos
Con objeto de conocer la idoneidad de un material para una determinada aplicación, o si va a soportar determinados esfuerzos, solicitaciones o cargas, debemos valorar, o más bien, cuantificar las anteriores propiedades mecánicas.
Las propiedades mecánicas se cuantifican con exactitud mediante ensayos.
Para realizar un ensayo se toman muestras del material en cuestión a las que llamaremos probetas, y se someten a distintas pruebas o ensayos y a partir de éstos y de sus resultados podremos: Conocer las propiedades de los materiales, la influencia de su composición química o de los tratamientos a que se han sometido. Predecir el posible comportamiento que tendrá un determinado material. Identificar posibles causas de fallo en servicio y procurar poner los medios para evitar los fallos. Seleccionar los materiales más idóneos para usos concretos.
Ensayo de tracción Analiza el comportamiento de un material ante un esfuerzo progresivo de tracción hasta su rotura. Para ello se somete a una probeta de un material, de dimensiones normalizadas, a un esfuerzo progresivo. Ésta va aumentando de longitud (alargamiento unitario ε= ∆l/lo ) mientras su sección se va reduciendo, estricción, hasta que llega un momento en que la probeta se rompe.
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En esta página tienes la información de cómo se desarrolla un ensayo de tracción (fíjate que hay tres partes). En ella aparece de forma esquemática la máquina de ensayos, las probetas utilizadas, y la gráfica obtenida para interpretar los resultados del ensayo. No hace falta que te pares mucho en las expresiones matemáticas, porque eso lo trabajarás el curso que viene.
http://www2.ing.puc.cl/~icm2312/apuntes/materiales/materials3.html
Ensayo de compresión Estudia el comportamiento de un material sometido a un esfuerzo progresivo de compresión, hasta que éste se rompe por aplastamiento.
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Ensayo de cortadura o cizalladura Analiza el comportamiento de un material sometido a un esfuerzo progresivo de cortadura hasta conseguir la rotura por deslizamiento en la sección de cortadura.
Ensayo de flexión Estudia el comportamiento de un material apoyado en sus extremos y sometido en su parte central a un esfuerzo progresivamente creciente, comprobando la deformación producida en él, flecha.
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Ensayo de pandeo Analiza un material esbelto al que se somete a un esfuerzo de compresión progresivamente creciente, hasta conseguir su flexión lateral o pandeo. En la fotografía se pueden ver distintas deformaciones que puede sufrir un material sometido a pandeo
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Ensayo de torsión Analiza el comportamiento de un material sometido a esfuerzos de torsión progresivos hasta alcanzar su rotura.
Ensayo de resiliencia El ensayo de resiliencia consiste en romper una probeta de un material mediante un único impacto de un péndulo de una masa determinada. La resiliencia será el cociente entre el trabajo realizado y la sección de rotura. Para la realización de este ensayo, reproducido en el esquema, se emplea un péndulo Charpy como el que vemos a continuación.
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Aquí te explican cómo se desarrolla un ensayo de resiliencia. Verás también cómo son las probetas utilizadas. http://www2.ing.puc.cl/~icm2312/apuntes/materiales/materials6-1.html
Ensayo de dureza
Sobre la superficie del material a ensayar se aplica una fuerza mediante un durómetro o penetrador, obteniéndose la dureza mediante el cociente entre la carga aplicada y la superficie de la huella que queda sobre el material. Existen varios métodos de ensayos de dureza que se diferencian por la forma del penetrador y por la distinta carga aplicada: El ensayo Rockwell. El ensayo Brinell, emplea una bola de acero extraduro. El ensayo Vikers utiliza una pirámide de base cuadrada de unas dimensiones determinadas.
Aquí tienes una explicación clara de los ensayos de dureza. Están perfectamente explicados los distintos penetradores usados en el ensayo, que es lo que lo caracteriza. http://www2.ing.puc.cl/~icm2312/apuntes/materiales/materials6-2.html
Otros ensayos tecnológicos Se pueden realizar también una serie de ensayos tecnológicos para tratar de predecir que comportamiento tendrán los materiales ante este tipo de exigencias en los procesos de fabricación, y así habrá ensayos de plegado, de embutición, de forjado, de fatiga…
La fatiga es la condición por la que un material se agrieta progresivamente, pero de forma súbita, como resultado de la repetición de cargas. Como curiosidad mostramos dos imágenes de un pistón, separadas por tan sólo treinta y dos segundos. En la primera el pistón está en condiciones normales de uso, y en la segunda el pistón que ya ha fallado por fatiga.
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Cualquier aspecto de un ensayo tecnológico está normalizado. Las normas UNE recogen desde la forma y dimensiones de la probeta, hasta los rangos de las cargas aplicadas. Por ejemplo , en el caso de un ensayo a tracción, la norma UNE 7282 nos determina cómo debe realizarse la preparación de las probetas, la UNE 7262-73 las tolerancias en su mecanizado y la UNE 7010 sus dimensiones.
Las probetas son: La muestra del material con la que probamos su comportamiento frente a diferentes esfuerzos. La muestra con que se realiza el ensayo de tracción. La muestra con que se realiza el ensayo de resiliencia. Ver solución
Los ensayos nos sirven para: Conocer las propiedades de los materiales. Seleccionar el material más adecuado para una determinada aplicación. Evitar que un material falle. Ver solución
En los ensayos: Aplicamos una carga progresiva hasta que el material rompe. Aplicamos una carga cíclica hasta que el material rompe. Aplicamos una carga puntual hasta que el material rompe. Ver solución
7. Criterios de elección de los materiales
La idónea elección de un material para una determinada aplicación es una decisión comprometida que exige de un amplio conocimiento, por parte del equipo de diseño, de las propiedades de un gran número de materiales, para analizar las ventajas e inconvenientes que supone el empleo de un material específico en la fabricación de un producto.
Para tomar la decisión adecuada sobre que material seleccionar se tienen que valorar los siguientes aspectos:
Por supuesto, los aspectos anteriores no se deben buscar por separado. Lo importante es seleccionar un material en el que la relación calidad-precio-prestaciones pueda satisfacer las necesidades del elemento final de la cadena: el consumidor.
En realidad, lo único que de verdad es importante a la hora de elegir un material es que soporte el uso que le vamos a dar. Verdadero
Falso
No se encuentran en el mercado mesas de ébano porque es una madera que no nos ofrece buenas propiedades. Verdadero
Falso
La relación calidad-precio-prestaciones es la que determina la elección de un material. Verdadero
Falso
8. Uso racional de los materiales
El enorme incremento de la cantidad de productos fabricados trae consigo la aparición de dos graves problemas para la sociedad: El agotamiento prematuro de los recursos naturales tanto de materiales renovables, que jamás deberían verse en peligro, siempre que se hiciese de ellos un uso razonable, como de los no renovables, siendo éstos los que están en mayor riesgo ya que no existe recambio para ellos en la Tierra. Excesivo aumento de residuos industriales lo que provoca un significativo deterioro del medio ambiente. Estos residuos industriales (materiales sólidos, líquidos o gaseosos generados en las actividades sociales e industriales) se están generando en la actualidad en cantidades desproporcionadas, debido al gran desarrollo industrial del que gozamos.
¿Qué puedes hacer tú para evitar estos dos grandes problemas que trae consigo la gran actividad consumista y, por lo tanto, productiva de nuestra sociedad? Piensa, por ejemplo, en el compras, donde te lo llevas...
supermercado:
lo
que
Imagen 61. Galería de Office.Creative Commons.
El ejemplo anterior nos lleva concluir que es necesario que cualquier proceso industrial se lleve a cabo teniendo presente la regla de las tres erres:
Regla de las tres erres
Reducir. El desarrollo tecnológico permite diseñar procesos que minimicen el uso de materiales en los procesos de producción y que se generen menor cantidad de residuos. Igualmente nosotros debemos evitar el consumo de productos innecesarios. Reutilizar. Debemos ofrecer nuevas posibilidades de utilización a un producto que haya tenido otro uso, sin Imagen 62. Wikimedia. necesidad de modificarlo o transformarlo. Creative Commons. Reciclar. Los productos que han llegado a su fase última de utilización deben ser separados para ser reprocesados e incorporados de nuevo a la cadena productiva, dándoles una nueva utilidad.
Esta nueva forma de ver la actividad industrial (reducir/reutilizar/reciclar) supone una reducción del consumo de materias primas y energía, lo que nos lleva a un desarrollo sostenible del que ya hablamos en la unidad anterior.
El planeta necesita una nueva revolución industrial en armonía con la naturaleza. Es lo que propugnan el arquitecto estadounidense William McDonough y el químico alemán Michael Braungart con su sistema "De la cuna a la cuna". A las conocidas tres erres: reducir, reutilizar y reciclar, añaden una cuarta, la regulación: en vez de reducir los consumos de energía, deberemos trabajar en el diseño del producto, de manera que, teniendo en cuenta todas las fases de los productos (extracción, procesamiento, utilización, reutilización, reciclaje...), ni siquiera sean necesarios los gastos de energía. Por ejemplo, si un edificio gasta mucha energía con el aire acondicionado y la iluminación, en vez de optimizar el rendimiento de la maquinaria y de instalar paneles fotovoltaicos, proponen concebir el edificio desde su inicio planteándose el aprovechamiento de la ventilación cruzada y de la iluminación natural, para no necesitar el gasto de energía que se produciría de otra forma. Para saber algo más de este "De la cuna a la cuna" puedes visitar este vínculo. http://www.consumer.es/web/es/medio_ambiente/energia_y_ciencia/2008/08 /22/179486.php
Materiales: Materiales ferrosos
Los metales han estado presentes en el desarrollo de la humanidad desde la antigüedad. Entre todos ellos, y aún a pesar de la facilidad con que se oxida, los derivados del hierro fueron y continúan siendo los más abundantemente empleados. Llamaremos material ferroso a todo material que en su composición contenga una proporción de hierro. La producción mundial de metales ferrosos es más de veinte veces superior a la del resto de los metales juntos. Esto es debido por un lado a su abundancia y por otro a la gran cantidad y variedad de productos que se pueden obtener a partir del hierro. El acero era bien conocido en la antigüedad. Los primeros aceros pudieron ser producidos fundiendo mineral de hierro en una chimenea de materiales naturales resistentes al calor (arcilla y piedra), empleando como combustible primero leña y más tarde carbón vegetal y soplando aire en el hogar para enriquecer la combustión, así el hierro se convertía en auténtico acero. En estos aceros se expulsaba la escoria por medio de la forja con martilleo en caliente. Los primeros aceros provienen de Armenia, datados Imagen 1. IFSTIC. Creative Commons antes de 1400 a.c. La tecnología del hierro fue mantenida mucho tiempo en secreto por los pueblos que la poseían, lo que les convertía en enormemente poderosos y temidos. En la península Ibérica. Hay constancia de producción de acero desde el siglo IV a.c., pues los arqueólogos han encontrado espadas utilizadas por los iberos, fabricadas con este material. Sin embargo no es hasta 1700 cuando se considera que se comenzó a producir acero tal como lo conocemos hoy en día. En este sentido hay que destacar varias innovaciones muy importantes: En 1856, Bessemer, posibilitó la fabricación de acero en grandes cantidades, pero solo podía utilizarse su método para hierro con poco contenido en fósforo y azufre. En 1857, Siemens puso en marcha otro procedimiento de obtención industrial de acero, en la actualidad es un método en desuso. En 1902 comienza la producción comercial de acero en hornos de arco eléctrico. En 1948 se desarrolla el proceso del oxígeno básico o L-D. En 1950 se comienza a utilizar el proceso de colada continua para fabricar grandes cantidades de perfiles de acero de sección constante.
1. Proceso de obtención del acero
El hierro es un metal y como tal no se encuentra en estado puro en la naturaleza sino que está formando parte de numerosos minerales. Existen muchos minerales que contienen hierro. Para que un mineral pueda ser utilizado para la obtención de hierro metálico ha de cumplir dos condiciones: Ha de ser un mineral muy abundante Ha de presentar una elevada concentración de hierro puro Los minerales más utilizados en la actualidad son dos óxidos, la hematita (Fe2O3 ) y magnetita (Fe3 04 ) , la limonita, que es un hidróxido de hierro de fórmula (FeO OH nH2 O) y la siderita o carbonato de hierro (FeCO3).
Imagen 2. Wikipedia. Creative Commons
Imagen 3. ISFTIC. Creative Commons
Imagen 4. ISFTIC. Creative Commons
Imagen 5. ISFTIC. Creative Commons
Una vez extraídas estas rocas tal cual están en la naturaleza han de ser sometidas a numerosos procesos para poder obtener el hierro que tienen en su estructura.
Se conoce por siderurgia al conjunto de procesos que debe sufrir el mineral de hierro hasta que se obtiene el metal utilizable.
La primera etapa de este proceso consiste en la extracción en las minas de los distintos minerales que contienen hierro. En ellas el mineral, al que llamaremos mena, se encuentra formando parte de las rocas, las cuales además de la mena contienen contienen componentes no útiles llamados gangas. Ambas partes deben ser separadas, para lo que habitualmente se pueden emplear dos métodos: Imantación: en primer lugar se tritura la roca y se hace pasar por un campo magnético aquellos productos que contengan hierro se separarán de las otras rocas. Separación por densidad: una vez triturada, la roca se sumerge en agua. Al tener la mena distinta densidad que la ganga, ésta se separa del mineral de hierro. Independientemente de cual sea el método utilizado, una vez realizada la separación del mineral de hierro, se le somete a un proceso por el que se forman una especie de aglomerado de mineral llamado pelets. Estos se transportan a la planta siderúrgica donde se procesarán en el alto horno.
¿Qué mineral contiene hierro formando parte de un óxido de composición Fe3O4 ?
Hematita Magnetita Limonita Siderita
¿Cómo se llama la parte de un mineral que se utilizará para obtener el metal?
Metallica Ganga Mena Fundente
1.1. Alto horno
Un alto horno es una instalación industrial en la que la mena contenida en el mineral de hierro es transformada en arrabio, también llamado hierro bruto.
Estas instalaciones reciben este nombre por su gran altura que suele estar en torno a los 30 metros. Un alto horno es un horno de cuba, formado por dos troncos de cono unidos por sus bases mayores. El tronco superior recibe el nombre de cuba, y el inferior se llama etalajes, la zona intermedia se llama vientre. La parte interior del horno está recubierta por material refractario Imagen 6. Kalipedia. Creative Commons y la exterior es de chapa de acero, entre ambas capas se dispone un circuito de refrigeración. El horno es alimentado con una mezcla de mineral de hierro, carbón de coque y fundente, generalmente piedra caliza. La proporción entre estas tres sustancias ha de ser: 2Tm de mineral - 0,5Tm de coque - 1Tm de fundente. Mediante una cinta transportadora esta mezcla se lleva hasta una tolva situada en la parte superior del horno. La mezcla se va alimentando al horno a través de la parte superior, llamada tragante. En ella un mecanismo de trampillas permite la entrada de la materia prima evitando que escapen al exterior gases, humos y sustancias contaminantes. Los altos hornos operan en continuo. Esto quiere decir que la forma de trabajo no consiste en introducir la mezcla con los reactivos dejar que el horno funcione durante un determinado tiempo y que haya que detenerlo para extraer los productos. En un alto horno se introducen las materias primas solidas por la parte superior y los productos, más densos, se extraen por la parte inferior de forma continua. Esto hace que la mezcla de entrada vaya cayendo hacia zonas más bajas del horno y que sucesivamente vaya pasando por la cuba, el vientre y el atalajes.
Por la parte inferior del horno se inyecta por unas toberas aire caliente. Este aire reacciona en la zona de etalajes con el coque, el coque se transforma en CO generando una temperatura de 1800ºC. Con esta temperatura la carga llega en la zona inferior del horno a la temperatura de fusión del hierro y debido a la diferencia de densidades entre el hierro y la escoria estos quedan separados en el fondo del horno, en una zona llamada crisol. El hierro fundido queda en la capa inferior del crisol y la escoria en la superior. Posteriormente se rompe (pincha) el tapón cerámico que obtura la piquera de arrabio y es sangrado el horno, extrayéndose el hierro de primera fusión, hierro colado o arrabio y a continuación la escoria. El arrabio se vierte en grandes recipientes llamados cucharas, éstas pueden ser abiertas o cerradas (torpedo), que es un vagón semicerrado recubierto en su interior por ladrillos refractarios que mantienen el arrabio fundido, mientras es transportado hasta el horno de afino LD, donde le quitarán al arrabio las impurezas que todavía contiene y que lo hacen poco adecuado para el uso industrial. Las escorias obtenidas son empleadas en la fabricación de abonos agrícolas, como materia prima en la producción de cemento y en la Imagen 7. blogspot. Creative Commons fabricación de aislantes térmicos y acústicos. Hasta ahora hemos comentado como se separa el arrabio por la parte inferior del horno una vez que ya se ha formado. Pero recuerda que lo que alimenta el horno no es el arrabio acompañado de escoria, por la parte superior del horno se ha alimentado un mineral de hierro. Lo que ocurre en las zonas superiores del horno (vientre y cuba) son procesos químicos complejos por los que el CO producido en la zona de etalajes reacciona con el mineral reduciéndolo y transformándolo a medida que la carga baja a través del horno en hierro metálico. Por la parte superior de la cuba salen unos gases provenientes de la combustión que tras ser filtrados, para quitarle impurezas, son empleados como combustibles en unos cambiadores de calor llamados recuperadores Cowper.
¿Qué función tienen los otros dos componentes de la mezcla? El coque cumple tres papeles durante el proceso. a) Combustible, aportando el calor necesario para la fusión de la escoria y del metal. b) Soporte de la carga y responsable de la permeabilidad de la misma, dada su gran porosidad. c) Reductor de los óxidos de hierro. El fundente cumple una doble función. a) Reduce la temperatura de fusión del hierro. b) Reacciona con los elementos que acompañan al mineral para formar la escoria.
Visita los siguientes videos de youtube. El primero contiene una animación que explica de forma muy simple el funcionamiento de un alto horno, está en portugués pero se entiende muy bien.
El segundo es una animación de peor calidad gráfica pero está explicado el proceso con más detalle.
La mezcla sรณlida que se alimenta a un alto horno por su parte superior estรก compuesta por:
Arrabio, coque y fundente Mineral de hierro, coque y escoria. Mineral de hierro, coque y fundente Mineral de hierro, coque, fundente y aire caliente.
En un alto horno las reacciones en las que el mineral de hierro se transforma en hierro metรกlico tienen lugar en:
En la parte inferior del horno, llamada etalajes. En la cuba y en el vientre. En el crisol En la tragante
El siguiente esquema muestra con detalle las partes mรกs importantes y el funcionamiento de un alto horno.
1.2. Afino del acero
El hierro colado o arrabio obtenido del alto horno es un producto que todavía no está listo para ser utilizado industrialmente. Por un lado contiene impurezas de elementos como azufre o silicio. Por otro lado contiene un porcentaje demasiado alto de carbono y por último todavía arrastra restos de óxidos de hierro. Todas estas sustancias hacen que las propiedades del producto no sean las deseables. Es necesario pues tratar este hierro, el proceso por el que esto se lleva a cabo se llama colado.
Colado: Proceso por el que se eliminan las impuerzas y se reduce la cantidad de carbono presente en el arrabio para transformarlo en un acero apto para la actividad industrial. Las impurezas eliminadas generan una escoria. Acero: Aleación de hierro y carbono en la que el porcentaje de carbono no supera el 2%.
En la actualidad existen dos métodos diferentes para realizar el colado del arrabio. Por un lado está el método convertidor LD y por otro el horno eléctrico.
CONVERTIDOR LD u Horno de afino de oxígeno básico. Este sistema está formado por en una olla de acero recubierta en su interior con material refractario en la que se deposita el arrabio a tratar. A través de una lanza situada en la parte superior se inyecta oxígeno al recipiente. Debido a las altas temperaturas de trabajo, la lanza se enfría continuamente a través de serpentines de agua interiores para evitar que se funda. La carga y la descarga de la olla se hacen por la parte superior por lo que la olla está montada en ejes rotatorios que permiten su volcado. Cuando el horno se ha cargado de arrabio procedente del torpedo y con chatarra seleccionada se coloca en posición vertical, se hace descender en su interior la lanza de oxígeno hasta unos 2 m por encima de la carga. A continuación se inyectan en el horno gran cantidad de oxígeno a elevada presión. El oxígeno reacciona con el carbono y otros elementos no deseados e inicia una reacción que quema con rapidez las impurezas del arrabio produciendo una escoria. Esta, al tener menor densidad, se sitúa en la parte superficial. Normalmente el chorro de oxígeno contiene polvo de piedra caliza que sirve para eliminar impurezas, entre las que destaca el fósforo. Terminado el proceso se inclina el horno para extraer la escoria, quedando abajo el acero afinado. Una vez obtenido el acero afinado, se le pueden añadir Imagen 9. monografias.com. Copyright los elementos que formarán las distintas ferroaleaciones, o bien hacerlo más tarde cuando el acero afinado sea vertido en la cuchara. El proceso tarda unos 50 minutos, y estos sistema están dimensionados para poder producir unas 275 toneladas de acero por hornada. Una de las grandes ventajas que desde un principio se observó en estos convertidores fue su capacidad para aceptar hasta un 20% de "chatarra junto con la carga de arrabio líquido.
Imagen 10. Fuente propia
Horno eléctrico En estos hornos el calor aportado procede de un arco eléctrico que se hace saltar entre unos electrodos de grafito y la superficie de la chatarra con que se carga el horno, la resistencia del metal al flujo de corriente genera calor, que junto con el producido por el arco eléctrico funde el metal con rapidez. Las condiciones de afinado pueden ser estrictamente reguladas. Cada hornada produce en torno a 100Tm y el proceso tarda en torno a una hora. Los hornos eléctricos se emplean para producir acero inoxidable y aceros aleados de extraordinaria calidad que deben ser fabricados según especificaciones muy exigentes. El afinado se produce en una cámara hermética, donde los parámetros que intervienen en el proceso son controlados rigurosamente con dispositivos automáticos. En las primeras fases de este proceso de refinado se inyecta oxígeno de alta pureza a través de una lanza, lo que aumenta la temperatura del horno y disminuye el tiempo necesario para producir el acero. La cantidad de oxígeno inyectada se puede regular con precisión, lo que evita oxidaciones no deseadas. La carga es chatarra seleccionada, porque su contenido en aleaciones afecta a la composición del acero afinado. También se añaden otros materiales, como pequeñas cantidades de mineral de hierro y fundente, para contribuir a eliminar el carbono y otras impurezas. Los elementos adicionales para la aleación se introducen con la carga o después, cuando se vierte a la cuchara el acero afinado.
Un horno de afino eléctrico está alimentado por una tensión de 900 V, con una corriente eléctrica de 700 kA, se carga con 120 Tm de chatarra cada hornada que transcurre en 55 minutos. Si el precio de la chatarra es de 0,08 €/kg, se produce el 10% de escoria y el precio de la energía eléctrica es de 0,12€/kWh. Con estos datos calcula: a) Potencia del horno expresada en W y en CV. b) Energía eléctrica consumida en cada hornada. c) Precio del kg de acero producido si los elementos añadidos para las ferroaleaciones presentan un coste de 250 €, y en cada hornada se producen unas pérdidas del 10% en escoria de la chatarra empleada.
Una vez afinado, el acero se vierte sobre una cuchara recubierta de material refractario. Llega ahora el momento de transformar el producto obtenido y que todavía está fundido en láminas o piezas de acero sólido a partir de las cuales poder fabricar los objetos que sea necesario. Este proceso recibe el nombre de colada y puede hacerse de dos formas, convencional o continua. Colada convencional Es uno de los procesos más antiguos que se conocen para trabajar los metales. El proceso consiste en dar forma a un objeto al verter el material líquido en una cavidad formada en un bloque de arena aglomerada u otro material que se llama molde y dejar que se solidifique el líquido. Colada continua Cuando se requiere un material de sección constante y en Imagen 11. monografias. copyright grandes cantidades se puede utilizar el método de la colada continua. En este método el contenido de la cuchara se vierte en un crisol que mediante una válvula va suministrando una cantidad constante de arrabio sobre un molde con la forma requerida. Por gravedad el material fundido pasa por el molde. Mediante un sistema de refrigeración por agua a medida que el acero se va alejando del punto de vertido se va convirtiendo en un material pastoso que adquiere la forma del molde. Posteriormente el material es conformado al hacerlo pasar por una serie de rodillos que al mismo tiempo lo arrastran hacia la parte exterior del sistema. Una vez conformado el material con la forma necesaria y con la longitud adecuada el material se corta y almacena. Es este un método muy útil para fabricar perfiles, varillas y barras de diferentes secciones y láminas o placas de varios calibres y longitudes.
Imagen 12. Portalelectricos. Copyright
Imagen 13. Monografías. Copyright
1.3. Elementos de aleación del acero
Como hemos visto en los puntos anteriores, en los hornos de afino se consigue reducir la cantidad de carbono y eliminar las impurezas que contiene el arrabio y que harían que sus propiedades no fueran todo lo buenas que podrían llegar a ser. Otra de las operaciones que se realiza durante la operación de afino consiste en añadir al acero determinados elementos metálicos, los cuales en las proporciones adecuadas modifican de modo significativo algunas propiedades del acero, o incluso le añaden alguna que no poseía.
Aleación: Mezcla sólida homogénea de dos o más metales, o de uno o más metales con algunos elementos no metálicos. El acero es pues una aleación de hierro y carbono, más los metales que se añaden para mejorar sus propiedades.
Los elementos más habituales y la forma en que modifican las propiedades del acero son: Aluminio: se emplea como desoxidante en la fabricación de muchos aceros. Boro: aumenta la capacidad de endurecimiento superficial, proporcionando un revestimiento duro y mejorando la templabilidad. Cobalto: disminuye la templabilidad. Mejora la dureza en caliente. Se usa en los aceros rápidos para herramientas. Se utiliza para aceros refractarios. Aumenta las propiedades magnéticas de los aceros. Cromo: es uno de los más utilizados en la fabricación de aceros aleados. Se usa en aceros de construcción, en los de herramientas y en los inoxidables. Ya que aumenta la dureza y la resistencia a la tracción y la tenacidad de los aceros, mejora la templabilidad, aumenta la Imagen 14. ISFTIC. Creative Commons resistencia al desgaste, la inoxidabilidad. Se utiliza en revestimientos embellecedores o recubrimientos duros de gran resistencia al desgaste, como émbolos, ejes,... Estaño: es el elemento empleado para conformar la hojalata, recubriendo láminas delgadas. Manganeso: se añade para neutralizar la negativa influencia del azufre y del oxigeno, actúa como desoxidante. De no tener manganeso, los aceros no se podrían laminar ni forjar. Molibdeno: aumenta la profundidad de endurecimiento del acero, y su tenacidad, mejorando la resistencia a la corrosión. Níquel: produce gran tenacidad, es un elemento de gran importancia en la producción de aceros inoxidables, porque aumenta la resistencia a la corrosión. Plomo: favorece la mecanización por arranque de viruta, (torneado, cepillado, taladrado,...) ya que el plomo es un buen lubricante de corte, se añade a los aceros porque mejora la maquinabilidad. Silicio: se usa como elemento desoxidante. Titanio: se usa para estabilizar y desoxidar el acero. Tungsteno o volframio: mejora muy significativamente la dureza y la resistencia al desgaste, produce aceros rápidos con los que es posible triplicar la velocidad de corte de las herramientas. Vanadio: desoxidante, proporcionan al acero una buena resistencia a la fatiga, tracción y poder cortante en los aceros para herramientas. Zinc: es elemento empleado para producir acero galvanizado.
Reproduce el siguiente vídeo extraído del programa de televisión "Así se hace" del canal Discovery Chanel, en él se muestra el proceso de fabricación de acero inoxidable.
1.4. Tratamientos del acero
Dentro de este apartado vamos a hablar de los tratamientos a los que se puede someter una pieza de acero en estado ya sólido para mejorar alguna de sus propiedades. Básicamente estos tratamientos son de tres tipos, superficiales, térmicos y termoquímicos. Tratamientos superficiales El principal inconveniente que presenta el acero como material de trabajo es su tendencia a oxidarse cuando entra en contacto con la atmósfera o con el agua. Por ello normalmente el acero ha de ser sometido a tratamientos superficiales que combatan esta carencia. En esencia lo que hacen todos ellos es cubrir la pieza con una capa de material que o bien no se oxida o ya está oxidado pero no permite que la corrosión pase a capas interiores. Los tratamientos superficiales más habituales son: Cromado: recubrimiento embellecedor superficial para proteger de la oxidación. Imagen 15. diversidadcorporativa. Copyright Galvanizado: recubrimiento superficial con zinc que se da al acero. Niquelado: similar al cromado. Pavonado: tratamiento superficial que se da a piezas pequeñas de acero, como la tortillería, consiste en aplicar una capa superficial de óxido, con el que se cubren las piezas y se evita su corrosión. Pintura: recubrimiento protector, usado en estructuras, automóviles, barcos. Tratamientos térmicos Mediante estos procesos se consigue modificar muy significativamente las propiedades mecánicas como dureza, tenacidad y resistencia mecánica del acero. En estos procesos no hay ninguna aportación de elementos químicos nuevos al material base. Consisten en calentar el material a tratar hasta una temperatura inferior a la de fusión y mantenerlo en ella el tiempo suficiente como para que a lo largo de toda la pieza se alcance la misma temperatura, con el fin de homogeneizar el tamaño del grano, o para modificar los microconstituyentes del material. Posteriormente el material puede ser enfriado a diferentes velocidades, según el tipo tratamiento que se quiera realizar. Para conseguir Imagen 16. directindustry. Copyrigh distintas velocidades de enfriamiento, se somete al material a un baño en agua o aceite, en calma o con agitadores, o se deja a la pieza en el interior del horno apagado a que se vaya enfriando. Hay distintos tipos de tratamientos térmicos que se aplican al acero (serán más profundamente tratados en Tecnología II):Temple, revenido, recocido y normalizado, con ellos se consigue mejora la resistencia a la tracción, disminuir la acritud, elevar la tensión de rotura, y eliminar las tensiones internas. Tratamientos termoquímicos En ocasiones se demandan materiales que tengan propiedades contradictorias como es por ejemplo que presenten elevada resiliencia y dureza (cigüeñales, pistones, levas,…), para ello se trata de que el alma de las piezas absorba los impactos y que la zona superficial sea la que acometa la dureza. En estos casos se modifica superficialmente la composición de los materiales sin que afecte a su composición interna, sometiéndoles a tratamientos termoquímicos. Estos se llevan a cabo en recipientes herméticos, elevando la temperatura por debajo de la de fusión y en presencia de algún elemento que se difunda hacia el interior del material base de la pieza a tratar, dependiendo de cual sea este material se distinguen los siguientes tratamientos: Cementación con carbono: se suelen emplear sólidos como el carbón o líquidos como cianuro sódico (CNNa), o gases como mezclas de monóxido de carbono y metano.
Uno de los grandes inconvenientes del acero es su tendencia a oxidarse cuando entra en contacto en el ox铆geno y la humedad. Los tratamientos superficiales consiguen recubrir la pieza de acero de una capa de material no oxidable que impiede que la pieza que queda recubierta se deteriore. Hay varios tipos de tratamientos: - Cuando el acero se recubre de una capa superficial obtenemos un tipo de acero . llamado acero -El 贸xido.
consiste en cubrir la pieza de acero con una capa superficila de
- Autom贸viles, barcos y extructuras de puentes son frecuentemente cubiertas por una capa de , esta da color a la pieza y la evita que la humedad y el ox铆geno entre en contacto con el acero. Comprobar
1.5. Mecanizado del acero
Tras la etapa de colado hemos obtenido piezas de acero, al que se le han añadido los elementos adecuados para dotarlo de las propiedades que nos interesaba alcanzar. Sin embargo la forma de estos bloques de acero muy raramente va a ser la que necesitemos en nuestro producto terminado. Así por ejemplo si queremos obtener fregaderos de cocina de acero, está claro que no va ser posible realizar un colado en continuo que nos de piezas de esa forma. Lo más habitual es que las piezas de acero, tras la colada, sean sometidas a distintos procesos de mecanización para dotarles de la forma adecuada. Los procesos más comunes son: Laminación: Método utilizado para producir productos metálicos alargados de sección transversal constante. El método se basa en elevar la temperatura de los lingotes de acero hasta que sea posible la deformación del lingote por la acción de pares de cilindros a presión, en los llamados trenes de laminación. El paso a través de los cilindros va conformando el perfil deseado hasta conseguir las medidas adecuadas. Existen trenes de laminación en frío, pero los productos obtenidos en ellos presentan acritud y deben ser templados Imagen 17. isftic.Creative Commons para mejorar sus propiedades. Las dimensiones del acero que se consiguen a través de estos métodos no tienen tolerancias muy ajustadas. Forja: Proceso en el cual se modifica la forma de los metales por deformación plástica sometiendo al acero a una impactos repetitivos. Se realiza a altas temperaturas que favorecen la forjabilidad y mejoran las propiedades mecánicas del acero. Estampación: El material adquiere la forma de la cavidad de la estampa. La estampa está compuesta por dos matrices que tienen grabada la forma de la pieza que se desea conseguir, produciéndose la deformación por medio de la compresión efectuada por la prensa. Cuando las prensas además de deformar la pieza producen cortes sobre ella al proceso se le llama troquelación. Embutición: es un proceso de conformado en frío, por el que se transforma un disco o pieza recortada en piezas huecas, o bien partiendo de piezas previamente embutidas, estirarlas a una sección menor con mayor altura.
Imagen 18. Wikipedia. Creative
Imagen 19. Monografías .Copyright
Imagen 20. Wikipedia. Creative Commons
Commons
Acero corrugado: Este tipo de acero se utiliza fundamentalmente en construcción, para fabricar hormigón armado y cimentaciones de obras. Se trata de barras de acero con resaltes que mejoran la adherencia con el hormigón. Este tipo de acero presenta una gran ductilidad, y una gran soldabilidad. Las barras de acero corrugado, están normalizadas, en España se aplican las normas (UNE 36068:1994- UNE 36065:2000 –UNE36811:1996) Tubos: se fabrican doblando una lámina de acero caliente en forma cilíndrica y soldando los bordes para cerrar el tubo, en los tubos más pequeños, los bordes de la tira suelen
Reproduce los siguientes vídeos extraídos de youtube. En ellos se explica el proceso de fabricación de varios objetos
Fabricación de cubiertos de plata
Fabricación de rodamientos
Fabricación de vallas de obra
Fabricación de cadenas de acero
Fabricación de ser
Fabricación del bloque d
1.6. Reciclaje del acero
Una vez que el acero ha concluido su vida útil pasa a ser un residuo que recibe el nombre de chatarra.
Sin embargo la chatarra es un recurso importante, puede ser reciclada utilizándose parar producir nuevos aceros. La finalidad del reciclado de acero es doble: Se reduce el consumo de materias primas. Se consigue un ahorro energético pues el proceso de obtención de acero a partir del mineral de hierro supone un elevadísimo gasto de energía. La chatarra generada se prensa formando grandes paquetes compactos. Estos paquetes son transportados a las industrias que van a reciclar el metal y allí son fundidos en hornos especiales, a continuación son incorporados al proceso siderúrgico de producción de acero.
Imagen 21. estrucplan. Copyrig
Se estima que en la actualidad la chatarra reciclada representa más del 40% de las necesidades de acero en el mundo, producido en hornos eléctricos. En el proceso de reciclado es necesario respetar las normas sobre prevención de riesgos laborales y las de carácter medioambiental. Al ser muy alto el consumo de electricidad, el funcionamiento del horno de fundir debe tratar de programarse en las horas valle de consumo, siempre que sea posible. En la entrada de las plantas de reciclaje, los camiones que transportan la chatarra a las industrias tienen que pasar por arcos detectores de radiactividad.
Reproduce este interesante video de la cadena Discovery Channel, en el se explica de una forma muy sencilla y con imagenes de mucha calidad el proceso de reciclado del acero .
2. Diagrama de aleación hierro-carbono
El diagrama de aleación hierrocarbono es un tipo de diagrama de equilibrio que nos permite conocer el tipo de acero que se va a conseguir en función de la temperatura y la concentración de carbono que tenga presente. Antes de pasar a estudiar que es un diagrama de de equilibrio y el diagrama hierro-carbono en particular, es imprescindible que tengas claros unos cuantos conceptos: Estado de agreación: Cada una de las tres formas en que se Imagen 22. isftic. Creative Commons puede presentar la materia. Los estados de agregación son tres: sólido, líquido y gaseoso. Fase: Cada una de las partes macroscópicas de composición química y propiedades físicas homogéneas que forman un sistema. Sistemas homogéneos: Sistemas formados por una única fase (monofásicos). Sistemas heterogéneos: Están formados por varias fases. Mezcla: Porción de materia formada por dos o más sustancias diferentes. Puede parecer que fase y estado de agregación de la materia son sinónimos, sin embargo no lo son. Por ejemplo el grafito y el diamante son dos formas alotrópicas del carbono; son, por lo tanto, fases distintas, sin embargo ambas pertenecen al mismo estado de agregación (sólido).
Un diagrama de equilibrio de una mezcla es un gráfico que representa las diferentes fases y estados de agregación en que van a presentarse los componentes de un sistema en función de la temperatura y de la concentración de cada uno de los componentes de la mezcla. En el caso del diagrama de aleación hierro-carbono se trata de un diagrama de equilibrio en el que se representa el comportamiento de la aleación de hierro y carbono en función del porcentaje de carbono contenido en la mezcla y de la temperatura.
Hay que tener en cuenta que en una mezcla de acero es posible encontrar los siguientes estados y formas alotrópicas: Acero líquido: Mezcla de hierro y carbono a muy alta temperatura, la mezcla está en fase líquida y es homogénea. Ferrita o hierro (alfa): Sistema cúbico, imanes permanentes. Hierro (beta): Similar al alfa pero no es magnético. Austenita o hierro (gamma): Sistema cúbico centrado en las caras. Hierro (delta): Red cúbica centrada en el cuerpo. Imagen 23. Wikipedia. Creative Commons Cementita (Fe3C): Sólido formado por el exceso de carbono en la mezcla (la cantidad que está en exceso sobre la solubilidad y que no puede ser disuelta en la mezcla). Es una sustancia dura y frágil que no puede ser laminada ni forjada. Estas formas alotrópicas tienen diferentes propiedades y el acero adoptará unas u otras en función de cual sea la composición y la temperatura de la mezcla. En función de la utilización que se quiera hacer del producto resultante habrá que conseguir que la forma o las formas alotrópicas producidas sean unas u otras. Esa información se encuentra en el diagrama hierrocarbono.
La posici贸n de una mezcla de acero en el diagrama de hierro-carbono queda definida por temperatura y el tanto por ciento en masa de carbono que tiene la mezcla. temperatura se representa en el eje vertical (ordenadas), el porcentaje de carbono representa en el eje horizontal (abscisa). El eje horizontal que representa la cantidad carb贸n en la mezcla, toma valores crecientes hasta el 6,67%.
su La se de
El diagrama hierro-carbono tiene la forma:
Imagen 24. esiu. Copyright
Como se puede observar es un diagrama complejo en el que pueden distinguirse muchas zonas, vamos a explicar las m谩s importantes. En primer lugar vamos a colorear cuatro sectores.
Imagen 25. Recursos propios, modificación de la imagen 24
Las cuatro zonas coloreadas representan las únicas cuatro zonas en las que el acero obtenido está formado por una única fase. Dentro de la zona verde el acero está en estado líquido. Cuando un acero está dentro de zona amarilla nos encontremos con una sustancia sólida formada exclusivamente por austenita. La pequeña zona azul correspondiente a aceros con un muy bajo contenido en C y temperaturas en torno a los 1400ºC se corresponde con una única fase sólida de acero . La pequeña zona naranja también con bajo contenido en C pero a temperaturas menores (en torno a los 700ºC) se encuentra en fase sólida y está formada por ferrita. En el resto de las zonas tendremos una mezcla entre las fases indicadas en el gráfico. Sería posible calcular para una composición y una temperatura determinada el porcentaje de cada una de las fases presente en la mezcla, esto es algo que se escapa a los objetivos del curso.
Dentro del gráfico destacan por su importancia una serie de puntos que aparecen dibujados en rojo en la siguiente imagen::
Imagen 26. Recursos propios, modificación de la imagen 24.
“A” Representa el punto de fusión del hierro puro se produce a 1539ºC “C” Eutéctico para una concentración de 4,3% de carbono y a 1130ºC. Por debajo de esa temperatura es imposible encontrar ninguna aleación en estado líquido, es el punto en que se produce el cambio de estado para una única temperatura, formándose el constituyente ledeburita, característica del eutéctico. “S” Eutectoide para una concentración de 0,89% de carbono y a 723ºC. Por debajo de esta temperatura es imposible encontrar austenita como microconstituyente de los aceros, en ese punto se forma el constituyente del eutectoide, que es la perlita. Por encima de la línea de liquidus (A-C-D) la aleación solo se encuentra en estado líquido. Por debajo de la línea de solidus (A-E-C-F) la aleación solo se encuentra en estado sólido. Entre las líneas de liquidus y solidus la aleación se encuentra en una zona bifásica donde coexisten la fase líquida y la fase sólida, aunque con microconstituyentes diferentes (líquido y austerita, a la izquierda del diagrama A-C-E) y (líquido y cementita la derecha del diagrama D-C-F). Por otro lado y según el contenido de carbono el diagrama hierro-carbono se divide en dos partes: aleaciones con menos del 1,76 % de carbono que corresponde a los aceros, y con más de un 1,76 % de carbono, de las fundiciones. Los aceros con un contenido en carbono inferior al 0,89% se llaman aceros hipoeutectoides, y los que contienen entre un 0,89 y un 1,76% de carbono se llaman aceros hipereutectoides. De igual forma las fundiciones hipoeutécticas son las que tiene un contenido de carbono entre 1,76 y 4,3%, mientras que se llaman hipereutécticas a las fundiciones que tienen entre un 4,3 y un 6,67% de carbono. Debido al elevado porcentaje de carbono que poseen las aleaciones, éstas son muy duras y frágiles, por lo que son difíciles de mecanizar, se suelen emplear para obtener piezas por
Por debajo de que temperatura es imposible encontrar una aleación que contenga acero en fase líquida:
1030 ºC 1130 ºC 1230 ºC El acero es un sólido, no puede estar en fase líquida.
Las fundiciones hipoeutécticas son las que:
No contienen una cantidad significativa de carbono. El contenido en C es superior al 1,76% El contenido en C es superior al 1,76% e inferior al 4,3% El contenido en C es inferior al 4,3%
Una aleación de hierro y carbono con un contenido de C del 3,5% a una temperatura de 1200ºC, será:
- Acero líquido. - Una mezcla de acero líquido y austenita - Una mezcla de austenita y cementita - Una mezcla de cementita y acero líquido
3. Clasificaci贸n de los aceros
Los aceros se pueden clasificar en función de varios criterios, esto da lugar a varias clasificaciones, la más utilizada de todas ellas es la clasificación en función del porcentaje de carbono disuelto: El porcentaje de carbono disuelto en el acero condiciona las propiedades del mismo. Así cuanto mayor sea el porcentaje de carbono disuelto en el acero, éste presenta más dureza y más resistencia a la tracción. Teniendo esto presente es posible clasificar los aceros en:
Nombre del acero
% de carbono
Resistencia a tracción (kg/mm2)
Extrasuave
0,1 a 0,2
35
Suave
0,2 a 0,3
45
Semisuave
0,3 a 0,4
55
Semiduro
0,4 a 0,5
65
Duro
0,5 a 0,6
75
Extraduro
0,6 a 0,7
85
Por otro lado es posible hablar de aceros aleados y aceros no aleados. Se consideran aceros no aleados aquellos en los cuales el porcentaje de elementos químicos que forman el acero no supera el valor indicado en la siguiente tabla:
Imagen 27. concretestrategies. Copyright
Elemento
Contenido en C (%)
Elemento
Contenido en C (%)
Aluminio
0,10
Níquel
0,30
Bismuto
0,10
Plomo
0,40
Boro
0,0008
Silicio
0,60
Cobalto
0,10
Titanio
0,05
4. Formas comerciales
Las diversas formas comerciales empleadas en construcción pueden clasificarse en cuatro grupos: Barras y perfiles, todos los perfiles empleados en España deben ser importados. Los perfiles laminados tienen particular interés en la construcción por ser destinados a la fabricación de estructuras resistentes.
Imagen 28.laminasy. Copyright Imagen 29. laminasy. Copyright
Chapas. También llamadas palastros. Tienen un espesor que puede oscilar desde los 5 mm llegando a los 25 mm. Tienen un longitud de 2 metros ondulados con una parábola. En ocasiones se recubren de un baño de otro metal para mejorar sus propiedades. Cuando el recubrimiento es de zinc se obtiene un acero galvanizado. El recubrimiento también puede ser de estaño, en ese caso las chapas de acero reciben el nombre de hojalatas. Roblones, pernos y clavos. Los roblones, llamados también remaches, están formados por un cuerpo cilíndrico y una cabeza con forma de media esfera, de casquete esférico, de gota de sebo o de cabeza perdida; en el otro extremo del cilindro se remacha la cabeza en caliente una vez colocado en la pieza. Los pernos se conocen por bulones y tornillos. Cuando tienen cabeza para el destornillador se llaman tornillos y cuando no la tienen reciben el nombre de bulones. Los bulones constan de un cilindro fileteado en casi toda su longitud y una cabeza fija, completados por una tuerca y una arandela. Otro tipo de tornillo es el que se aplica en las maderas, con la cabeza como las del anterior, el cuerpo a partir de ella es cilíndrico y luego cónico fileteado, terminando en punta. Los clavos constan de un cuerpo cilíndrico liso, terminado en punta en un extremo y una cabeza, en casquete esférico, de cabeza perdida. Existe también una variante en forma de L, llamados escarpias y las tachuelas de cabeza chata y cuerpo cónico o piramidal. Se fabrican con alambre de acero estirado en frío y sin recocer.
Imagen 30. umza. Copyright
Imagen 31. perno. Creative Commons
Imagen 32. clavos. Creative Commons
Alambres y cables se fabrican como redondos continuos recogidos en bobinas ya que el hacer es dúctil y se fabrican en trenes de trefilado, se emplean como sirgas y tirantes.
La gama de productos elaborados en acero que se pueden encontrar en el mercado es muy extensa a continuación indicamos los más empleados por la industria: 1. Flejes y planos, conocido también por llanta, o pletina, se encuentra en una amplia gama de secciones, la longitud normal de las barras es de 6000 mm. 2. Barra redonda comercial, es un redondo laminado liso, se puede encontrar en longitudes de 6000 mm, y en diámetros desde 6 mm, hasta 50 mm. 3. Barra redonda corrugada, es el producto mas utilizado en construcción. Sus corrugas le hacen idóneo para adherirse al hormigón, se usa como refuerzo en pilares, jacenas y es la base para la fabricación de los mallazos electrosoldados. 4. Barra cuadrada comercial, al igual que el redondo comercial, los largos de estas son de 6000 Imagen 33.mundoanuncio. Creative Commons mm, y su gama oscila entre las medidas 10 x 10 mm y 40 x 40 mm. 5. Formas angulares, (UES y TES), estas formas comerciales son algunas de las más utilizadas. Todas se fabrican en longitudes de 6000 mm. 6. Perfiles estructurales IPN, IPE, UPN y HEB conocidos como vigas, son los perfiles que se utilizan en la construcción para las estructuras de edificios, naves industriales o chasis de maquinaria. 7. Chapas de acero también llamadas palastros, es otro de los productos de gran consumo, en cualquiera de sus variedades, negra, pulida, decapada, galvanizada o industrial. Suele estar disponible en diferentes formatos, aunque el mas extendido es el de 2000 x 1000 mm. 8. Tubería perfilada redonda, cuadrada y rectangular, aunque se les llame tubos, no son aptos para usarlos en conducción, sus usos están enfocados a la construcción de, bastidores, estanterías, marcos, soportes. 9. Tubería para conducciones. En sus distintas variedades son usadas para la conducción de líquidos, gases e incluso algunos sólidos. 10. Chapas perforadas, la chapa perforada es un producto de gran utilidad por favorecer el filtrado y la ventilación, pero también se utiliza con motivo decorativo en muchas construcciones. Están disponibles en una amplia variedad de perforaciones y diferentes calidades.
Materiales: Materiales no ferrosos
En ocasiones para satisfacer las especificaciones técnicas que se requieren en determinadas aplicaciones industriales, no basta con recurrir a los metales ferrosos, ya que debemos emplear materiales con menor punto de fusión, que no se corroan, con menor resistividad, fáciles de mecanizar… Por todo ello se recurre a los metales no ferrosos, que cada vez se hacen más imprescindibles para la fabricación de un buen número de productos. Estos metales, a pesar de presentar características específicas, presentan una serie de propiedades físicas generales que los identifican. Estado sólido a temperatura normal, excepto el mercurio que es líquido Opacidad, excepto en capas de muy pequeño espesor. Buenos conductores eléctricos y térmicos Brillantes, una vez pulidos Estructura cristalina en estado sólido Se pueden clasificar de acuerdo a su densidad en: Pesados si su densidad es mayor de 5kg/dm3 . Ligeros si su densidad está comprendida entre 2 y 5 kg/dm3 . Ultraligeros si su densidad es menor de 2kg/dm3. En general los metales no ferrosos suelen ser blandos y presentan una reducida resistencia mecánica, por lo que se suelen alear para mejorar éstas y otras propiedades. Según su nivel de utilización los metales no ferrosos serían: cobre y sus aleaciones, aluminio, estaño, plomo, zinc, níquel, cromo, titanio, magnesio.
1. Metales Pesados
Plomo Símbolo Pb. Número atómico 82. Densidad 11,34kg/dm3 . Punto de fusión 327ºC. Resistencia a la tracción 2kg/mm2 . Alargamiento 50%. Resistividad 0,022Ωm2 /m. Obtención. Estado natural Se encuentra ampliamente disperso por todo el planeta, el mineral más abundante es la galena, sulfuro de plomo con una riqueza superior al 65% en plomo. La extracción del plomo de la galena se realiza por calcinación de la mena, convirtiéndola en óxido y reduciendo el óxido con coque en altos hornos. Otro método consiste en calcinar la mena en un horno de reverbero hasta que parte Imagen 1. isftic. Creative Commons del sulfuro de plomo se transforma en óxido de plomo y sulfato de plomo. Se elimina el aporte de aire al horno y se eleva la temperatura, reaccionando el sulfuro de plomo original con el sulfato y el óxido de plomo, para formar plomo metálico y dióxido de azufre. Propiedades El plomo es un metal blando, maleable y dúctil. Presenta una baja resistencia a la tracción y es un mal conductor de la electricidad. Al hacer un corte, su superficie presenta un lustre plateado brillante, que se vuelve rápidamente de color gris azulado y opaco. A temperatura ambiente no le atacan los ácidos sulfúrico y clorhídrico, reacciona lentamente con el agua formando hidróxido de plomo, que es venenoso, por lo que no es aconsejable emplear plomo en las tuberías de abastecimiento de agua potable. Aplicaciones Es uno de los primeros metales conocidos. Hay referencias al plomo en el Antiguo Testamento, y era empleado por los romanos para tuberías. El plomo se emplea en la fabricación de baterías. También se utiliza industrialmente en las redes de tuberías de desagüe. Debido a su elevada densidad y propiedades nucleares, se usa como blindaje protector de materiales radiactivos y de rayos X. Entre las numerosas aleaciones de plomo se encuentran las empleadas en soldadura eléctrica, ya que aleado con estaño se consigue reducir mucho su temperatura de fusión. Se emplea en el metal tipográfico y en la producción de cojinetes metálicos. También se disuelve en pinturas y pigmentos (minio) por su carácter antioxidante.
Prohibición de las tuberías de plomo La tuberías de plomo dejaron de colocarse en 1980. Lógicamente los inmuebles contruidos con anterioridad conservan este tipo de tuberías que con la última normativa deberán ser sustituidas, si quieres ver más información pulsa aquí. Los romanos, desarrollaron una gran tecnología hidráulica, en la que utilizaron tuberías de plomo, si tienes curiosidad, visita el siguiente enlace
Imagen 2. Web sobre Museo Romano Cesaraugusta.©Roberto Lérida Lafarga
Cobre Símbolo Cu. Número atómico es 29. Densidad 8,9kg/dm3 . Punto de fusión 1083ºC. Resistencia a la tracción 18kg/mm2 . Alargamiento 20%. Resistividad 0,017Ωm2 /m. Obtención. Estado natural.
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El cobre puede encontrarse en estado puro. El cobre en bruto se tritura, y se separa por flotación y se concentra en barras. Los concentrados se funden en un horno de reverbero que produce cobre metálico con una pureza aproximada del 98%. Este cobre en bruto se enriquece por electrólisis, hasta alcanzar una pureza que supera el 99,9%. Los óxidos y carbonatos se reducen con carbono. Las menas más importantes, las formadas por sulfuros, no contienen más de un 12% de cobre. El cobre puro es blando El principal mineral de cobre es la calcopirita sulfuro de hierro y cobre, se encuentra en Chile, México, Estados Unidos y la antigua URSS; la azurita, carbonato de cobre, en Francia y Australia, y la malaquita, otro carbonato de cobre, la cuprita, un óxido de cobre que se encuentra en España. Propiedades Elevada conductividad del calor y electricidad, resistente a la corrosión, dúctil y maleable. Aplicaciones Era conocido en épocas prehistóricas, se han encontrado objetos de este metal en las ruinas de las civilizaciones antiguas. El cobre tiene una gran variedad de aplicaciones a causa de sus ventajosas propiedades, como son su elevada conductividad del calor y electricidad, la resistencia a la corrosión, así como su maleabilidad y ductilidad. Debido a su extraordinaria conductividad, sólo superada por la plata, el uso más extendido del cobre se da en la industria eléctrica. Por se ductilidad se puede transformar en cables de cualquier diámetro, desde 0,025 mm. Las aleaciones de cobre, mucho más duras que el metal puro, pierden conductividad eléctrica, presentan una mayor resistencia a la tracción, gran resistencia a la corrosión y fácil mecanización.
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A lo largo de la historia, el cobre se ha utilizado para acuñar monedas y confeccionar útiles de cocina, tinajas y objetos ornamentales. Las aleaciones más importantes y profusamente utilizadas son: Bronce, una aleación con estaño, se emplea en la fabricación de campanas,
Indica las diferencias más apreciables entre el latón y el bronce. Enumera que características se refuerzan en el caso de las aleaciones de cobre, frente al cobre puro.
Cobalto Símbolo Co. Su número atómico es 27. Densidad 8,9kg/dm3 , Punto de fusión 1495ºC. El cobalto fue descubierto en 1735. Propiedades Tiene poca solidez y escasa ductilidad a temperatura normal, pero es dúctil a altas temperaturas. es magnético, de color blanco plateado, utilizado para obtener aleaciones. De sus distintos isótopos conocidos, el cobalto 60 radiactivo es el más importante. Tiene una vida media de 5,7 años y produce una intensa radiación gamma. Por lo que se utiliza ampliamente en radioterapia. Aplicaciones Las superaleaciones resistentes a la temperatura contienen cobalto y son muy empleadas en la industria y en las turbinas de aviones. Una aleación con acero, llamada acero de cobalto se utiliza para fabricar imanes permanentes. Con el carburo de wolframio, el cobalto y el cromo constituyen una aleación muy resistente usada para cortar y trabajar el acero. También se emplea en la industria de la cerámica y en el secado de pinturas, así como de catalizador.
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Bomba de Cobalto El cobalto solo tiene un isótopo estable, el Co-59. El Co-60 se emplea como fuente generadora de radiaciones , aprovechando la inestabilidad del átomo, es decir , la capacidad para liberar partículas alfa, beta y gamma, si quieres puedes visitar está página, en la que encontrarás más información
Imagen 10. todocancer. ©todocancer.com
Estaño Símbolo Sn. Número atómico 50. Densidad 7,28kg/dm3 . Punto de fusión 231ºC. Resistencia a la tracción 5kg/mm2 . Alargamiento 40%.Resistividad 0,115Ωm2/m. Obtención. Estado natural Es un metal muy escaso en la corteza terrestre, su principal mineral es la casiterita (SnO2 ), que tiene una riqueza muy baja. El proceso de obtención parte de triturar la casiterita hasta convertirla en polvo y se baña en cubas que se agitan, para que por decantación el estaño ocupe la parte baja del depósito, se compacta tras eliminar la ganga. Después se somete a tostación, para reducir los óxidos de estaño, si se tiene que depurar su riqueza hasta alcanzar valores del orden de 99%, es necesario someterlo a procesos electrolíticos. Propiedades A temperatura ambiente es blando y maleable, es fácil obtener papel de escaso espesor. Aplicaciones Sus principales aplicaciones es en la fabricación de hoja de lata recubriendo un alma de acero de dos capas muy finas de estaño puro. En aleación con plomo para emplearse como metal de aportación en la soldadura blanda eléctrica. En aleaciones especiales de muy bajo punto de fusión, en las proporciones adecuadas con plomo, bismuto, cadmio e indio se consigue una aleación que funde a 47ºC.
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12.
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Sabías que... El estaño tiene la característica de cuando la temperatura desciende de -18ºC sufre un proceso degenerativo llamado la peste del estaño que provoca el que se descomponga en polvo.
Zinc Símbolo Zn. Número atómico 30. Densidad 7,13kg/dm3 . Punto de fusión 419ºC. Resistencia a la tracción según sean piezas moldeadas o forjadas 3-20kg/mm2. Alargamiento 20%. Resistividad 0,057Ωm2 /m. Propiedades Es muy frágil a temperatura ambiente, pero se vuelve maleable entre los 120 y los 150 °C, por lo que se lamina fácilmente en rodillos calientes No es atacado por el aire seco, pero en aire húmedo se oxida, cubriéndose con una película carbonada que lo protege de una posterior corrosión. Reacciona mal en presencia de ácidos. Obtención. Estado natural No se encuentra puro en la naturaleza y hasta el siglo XVII no se consiguió sintetizar. Los minerales más importantes son la blenda, sulfuro de zinc y sulfuro de plomo, con una riqueza del 50% de zinc y la calamina, silicato y carbonato de zinc, con riqueza inferior al 40%. Aplicaciones El metal puro se usa principalmente como capa recubrimiento para producir acero galvanizado, en las placas de las pilas eléctricas secas, y en las fundiciones a troquel. Se usa como pigmento en pintura de exteriores, por sus propiedades antioxidantes, se utiliza como elemento de relleno en llantas de goma y como pomada antiséptica en medicina. Aleado con el cobre para obtener latón. El cloruro de zinc se usa para preservar la madera y como fluido soldador. El sulfuro de zinc es útil en electroluminiscencia, fotoconductividad, semiconductividad y otros usos electrónicos; se utiliza en los tubos de las pantallas de televisión y en los recubrimientos fluorescentes.
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Cromo Símbolo Cr. Número atómico 24. Densidad 7,2 kg/dm3 . Punto de fusión es de 1.857 °C. Propiedades El cromo consigue aumentar la dureza y la resistencia a la corrosión de la aleación. Aplicaciones Una tercera parte de la producción total de cromo se emplea en materiales refractantes. El cromo está presente en diversos catalizadores. Se utiliza sobre todo en aleaciones de hierro, níquel o cobalto. Constituye el 10% de la composición final de los aceros inoxidables. Se deposita por electrolisis sobre distintos metales, (cromado) proporcionando un acabado brillante y resistente a la corrosión, por lo que se emplea en el acabado de vehículos.
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2. Metales Ligeros
Titanio De símbolo Ti. Número atómico 22. Densidad 4,45 kg/dm3 . Punto de fusión 1800ºC. Resistencia a la tracción 100 kg/mm2.Alargamiento 5%. Resistividad eléctrica 0,8 Ω m2 /m. Obtención. Estado Natural No se encuentra puro en la naturaleza. Constituye los minerales ilmenita (FeTiO3), rutilo (TiO2) y esfena (CaO • TiO2 • SiO2). Para obtener el óxido de titanio se tritura el mineral y se mezcla con carbonato de potasio y ácido fluorhídrico produciendo fluorotitanato de potasio (K2TiF6). Éste se destila con agua caliente y se descompone con amoniaco. Así se obtiene óxido hidratado amoniacal, que se inflama en un recipiente de platino produciendo dióxido de titanio. Se trata el óxido con cloro, obteniéndose tetracloruro de titanio; que se reduce con magnesio para producir titanio metálico, que se funde y moldea en lingotes.
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Aplicaciones Es muy maleable y dúctil en caliente, debido a su resistencia y su densidad, el titanio se usa en aleaciones ligeras, aleado con aluminio y vanadio, se utiliza en aeronáutica para fabricar las puertas de incendios, el fuselaje, los componentes del tren de aterrizaje. Los cuadros de las bicicletas de carreras. Los álabes del compresor y los revestimientos de los motores a reacción. Se usa ampliamente en misiles y cápsulas espaciales; las cápsulas Mercurio, Gemini y Apolo fueron construidas casi totalmente con titanio Es eficaz como sustituto de los huesos y cartílagos en cirugía. Se usa en los intercambiadores de calor de las plantas de desalinización debido a su capacidad para soportar la corrosión del agua salada
Sabías que... Se ha verificado que las incrustaciones de titanio en el organismo humano no provocan ningún tipo de rechazo y además al cabo de un cierto tiempo, se produce la soldadura espontánea y natural de los huesos. Por ello en la actualidad es el material más empleado en prótesis e implantes odontológicos y traumatológicos. Imagen 22. sorrow. ©sorrow
Aluminio De símbolo Al, es el elemento metálico más abundante en la corteza terrestre. Número atómico 13. Densidad 2,69kg/dm3. Punto de fusión 660ºC. Resistencia a la tracción 10 kg/mm . Alargamiento 50%. Resistividad 0,026 Ω mm2/m. Obtención. Estado natural Se obtiene de la bauxita, mineral que puede encontrarse en minas a cielo abierto, se tritura y se lava para eliminar otros materiales y sustancias orgánicas. Posteriormente se refina para obtener la alúmina, lo que ya es un material comercial de aluminio con el que se pueden obtener lingotes por fundición. También se produce por el método Bayer, que consiste en: La bauxita pulverizada se carga en un digestor que contiene una solución Imagen 23. WikiPedia. Creative Commons acuosa de sosa cáustica a alta presión y a alta temperatura. Se forma aluminato de sodio que es soluble en el licor generado. Los sólidos insolubles que contiene el licor, como hierro, silicio, titanio y otras impurezas son filtrados y el producto resultante se bombea a depósitos llamados precipitadores. En éstos se agregan finos cristales de hidróxido de aluminio, que sirven de simientes, y en torno a ellos van creciendo en las tres dimensiones los cristales de hidróxido de aluminio. El hidróxido de aluminio adherido a los cristales se calcina en hornos a 1200ºC. El producto obtenido se refrigera hasta temperatura ambiente, con lo que se obtiene la alúmina para la fusión y obtención de aluminio de buena calidad. La alúmina obtenida se procesa en cubas electrolíticas, que funcionan con un baño de ciolita (fluoruro de aluminio sódico), el ánodo es un electrodo de carbón y el cátodo es la propia cuba. Tras este proceso se obtiene el aluminio metálico, que es moldeado y procesado en hornos de concentración para la obtención de aluminio de alta calidad. Para obtener 1 kg de aluminio se requiere 2 kg de alúmina, los que son producto de 4 kg de bauxita y 8 kwh de energía eléctrica. Aplicaciones Debido a su baja densidad es muy útil para construir aviones, vagones ferroviarios y automóviles, y para las aplicaciones en las que es importante la movilidad y la conservación de energía. Por su elevada conductividad térmica, el aluminio se emplea en utensilios de cocina y en pistones de motores de combustión. Es fácilmente moldeable por lo que se usa en carpintería de aluminio. Dada su escasa absorción de neutrones, se utiliza en reactores nucleares. Es muy maleable por lo que se obtiene papel de aluminio de 0,002 mm de espesor, utilizado para proteger alimentos y otros productos perecederos, por su compatibilidad con comidas y bebidas se usa en envases, envoltorios flexibles, botellas y latas de fácil apertura. El reciclado de estos recipientes supone un gran ahorro de energía. La resistencia a la corrosión por agua del mar, lo hace útil para fabricar cascos de barco y elementos que estén en contacto con el agua. Debida a su resistividad eléctrica es el material de elección para sustituir al cobre
Sabías que... El calor generado en la reacción del aluminio con el oxígeno es suficiente para fundir el hierro, el proceso llamado termita utiliza este fenómeno para producir soldadura aluminotérmica.
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3. Metales Ultraligeros
Magnesio De símbolo Mg. Número atómico 12. Densidad 1,74 kg/dm3 . Punto de fusión 650ºC. Resistencia a la tracción 18 kg/mm2 . Resistividad eléctrica 0,8Ωm2 /m.
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Aplicaciones El magnesio aleado con aluminio se usa para piezas de aeronáutica; en miembros artificiales, aspiradoras, esquíes, carretillas, cortadoras de césped, muebles de exterior e instrumentos ópticos Como desoxidante en la fundición de metales. El magnesio puro se utiliza en flashes fotográficos, bombas incendiarias y señales luminosas y pólvora para fuegos artificiales, porque su combustión da una luz blanca muy intensa. Formando distintos compuestos químicos tiene diferentes utilidades es diverso. El carbonato de magnesio (MgCO3), se usa como material refractario y aislante. El cloruro de magnesio (MgCl2•6H2O), se emplea como material de relleno en los tejidos de algodón y lana, en la fabricación de papel y de cementos y cerámicas. El citrato de magnesio (Mg3(C6H5O7)2•4H2O), se usa en medicina y en bebidas efervescentes; El hidróxido de magnesio (Mg(OH)2), se utiliza en medicina como laxante, "leche de magnesia", y para refinar azúcar.
¿Qué metales o aleaciones escogerías si tuvieses que fabricar? Campana de una iglesia. Monedas. Fuselaje de un avión. Canalones de desagüe de lluvia. Prótesis óseas. Líneas de distribución eléctrica. Latas de refrescos. Pasamanos de barandillas. Planchas de hojalata. Vallas de acero galvanizado para trabajar a la intemperie.
5. Metales nobles y metales refractarios
Los metales nobles, también llamados preciosos, son blandos, muy resistentes a la corrosión y muy caros. El oro se emplea en joyería permite aleaciones con platino. La plata presenta una excelente conductividad eléctrica por lo que podría emplearse como conductor, aunque su precio lo limita, se utiliza en numismática, joyería y en aleación en prótesis odontológicas. El platino presenta un elevado puno de fusión y es muy resistente a la corrosión y es de color blanco, no pierde su brillo y es hipoalérgico. Los metales refractarios se caracterizan por presentar una elevada resistencia mecánica a grandes temperaturas, tiene una enorme dureza, se emplean para fabricar herramientas de corte, ejes y cojinetes, para filamentos de lámparas, y como recubrimiento y fuselaje en vehículos espaciales. Dentro de este grupo están: el niobio, el molibdeno, el tántalo, el tugsteno o wolframio.
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Haz una relación de los objetos metálicos que tengas en tu casa, procura indicar el nombre del metal o de la aleación que forman y que función desempeña.
6. Tabla Resumen de Propiedades
Propiedades de los metales
Densidad kg/dm3
Punto de fusión ºC
Resistencia a la tracción kg/mm2
Resistividad Ω mm2/m
10
0,026
18
0.017
Metal
Símbolo
Número atómico
Aluminio
Al
13
2,69
660
Cobalto
Co
27
8,9
1495
Cobre
Cu
29
8,9
1083
Cromo
Cr
24
7,1
1857
Estaño
Sn
50
7,28
231
5
0,115
Magnesio
Mg
12
1,74
650
18
0,8
Plomo
Pb
82
11,34
327
2
0,22
Titanio
Ti
22
4,45
180
100
0,8
Zinc
Zn
30
7,13
419
Aleado-3 Forjado-20
0,057
Materiales: Otros Materiales
Como decíamos en el primer tema de esta unidad, los materiales forman parte de cualquier producto de uso cotidiano. Al principio, los materiales utilizados por el hombre se encontraban en la naturaleza (madera, piedra, pieles...). Más tarde se empezaron a emplear otros materiales más elaborados (arcilla, lana...), para más tarde llegar, con la revolución industrial, al empleo de metales y aleaciones. Los metales han sido, durante mucho tiempo, los materiales más importantes utilizados en la aplicaciones industriales, que son las que a nosotros, aquí y ahora, nos interesan.
Imagen 1. Galería de Office.Creative Commons.
Pero de unos años acá, ha aumentado el interés o han aparecido muchos otros materiales igualmente importantes en la actividad industrial. Son esos "otros" materiales los que vamos a estudiar en este tema.
Imagen 2. Galería de Office.
Imagen 3. Galería de Office.
Imagen 4. Galería de Office.
Imagen 5. Galería de Office.
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1. Polímeros
En su origen, los plásticos se obtenían a partir de materiales naturales provenientes de animales y plantas, pero tras su apogeo desde principios del siglo XX, se obtienen básicamente de materias derivadas del petróleo, ya que así se consiguen precios mucho más competitivos y se amplía y mejora la gama de propiedades que ofrecen.
Imagen 6. Wikipedia. Creative Commons.
En la lámina de EL MUNDO que encontrarás en este vínculo tienes una pequeña historia del uso de los plásticos. También encontrarás unas sencillas explicaciones de cómo se fabrican los plásticos
Los polímeros están formados por largas cadenas de moléculas elementales más pequeñas, llamadas monómeros. Estas cadenas se repiten cíclicamente dando lugar a moléculas de gran tamaño de elevado peso molecular, que reciben el nombre de polímeros.
Imagen 7. Wikipedia. Creative Commons.
Los polímeros se pueden dividir en:
Homopolímeros, cuando los monómeros que lo forman son idénticos y se han formado por adición Copolímeros si los monómeros que lo constituyen son distintos y se han formado por condensación.
Estas son imágenes de polímeros formados por adición y por condensación. Adición
Condensación
CLASIFICACIÓN DE PLÁSTICOS
Los plásticos se pueden clasificar atendiendo al origen de la materia prima utilizada para su obtención, y pueden ser naturales (caucho, celulosa...), o sintéticos (el resto de los plásticos usuales). Pero la clasificación más importante es la que se establece en base a sus propiedades y tenemos:
Los polímeros se clasifican en:
TERMOPLÁSTICOS TERMOESTABLES ELASTÓMEROS Funden al calentarlos y se pueden moldear para darles forma, volviendo a solidificar al enfriarse. Este ciclo de PROPIEDADES calentamientoconformaciónenfriamiento, se puede repetir innumerables veces, lo que permite su reutilización.
ESTRUCTURA
EJEMPLOS
Al calentarlos se ablandan y pueden Son muy moldearse y elásticos; se solidifican. En este deforman proceso se produce enormemente una reacción química cuando se les aplica que imposibilita que cualquier esfuerzo vuelvan a fundirse al y recuperan sus aumentar su dimensiones temperatura, originales al ceder impidiendo las éste. posteriores Tienen muy alta deformaciones por adherencia y baja sucesivos dureza. calentamientos.
Presentan cadenas poliméricas lineales
Presentan cadenas poliméricas ramificadas
Presentan cadenas poliméricas entrecruzadas
Ejemplos: nailon, policarbonato, poliestireno…
Ejemplos: baquelita, resinas, poliester…
Ejemplos: caucho, neopreno, silicona
Los plásticos, en general, son materiales de muy baja densidad, sin embargo hemos comentado que están formados por moléculas con muy elevado peso molecular ¿Cómo lo podrías explicar?
En la fabricación de los productos plásticos se emplean: Materia prima (granza) que son los monómeros que propician la reacción química. A ellas se añaden las cargas, con objeto de abaratar el coste del producto final y de mejorar algunas propiedades. Estas cargas pueden ser fibra de vidrio, papel, estructuras metálicas… También se añaden aditivos cuya misión es mejorar o conseguir propiedades determinadas, como reducir la fricción, disminuir las degradaciones químicas, aumentar las conductividad eléctrica, colorear el producto... Y todo ello sucede en presencia de un catalizador que es el encargado de iniciar y acelerar el proceso de la reacción química. En el siguiente esquema se muestra el proceso de obtención de estos gránulos.
Imagen 9. Wikipedia. Creative Commons.
PROCESOS DE CONFORMADO DE PRODUCTOS PLÁSTICOS Extrusión El material, en forma de granza, se vierte en una tolva de alimentación y es empujado por un tornillo sin fin (situado en el interior de un cilindro con la temperatura adecuada para que la granza se convierta en líquido) hacia la hilera o boquilla. Por esta boquilla sale con la forma del perfil a fabricar y a continuación es enfriado. Cuando la fabricación es continua se dispone de una bobinadora que enrolla el material acabado. Se emplea con los termoplásticos para obtener perfiles continuos. Es el procedimiento que se emplea, por ejemplo, para se emplea para recubrir de PVC los conductores de eléctricos.
Imagen 10. Tecno 12-18. Copyright Cristóbal Sánchez
Calandrado El calandrado consiste en hacer pasar el material precalentado entre una serie de pares de rodillos que giran en sentido opuesto con el fin de obtener láminas de un determinado espesor. Una vez laminado el material es enfriado y recogido en bobinas. Es un proceso aplicable a los termoplásticos. Por este procedimiento se fabrican lonas, suelos tipo "linóleo"...
Imagen 11. Tecno 12-18. Copyright Cristóbal Sánchez
Termoconformado Las piezas se obtienen a partir de películas o láminas rígidas con el espesor adecuado. Se eleva la temperatura de éstas para ablandarlas y, aplicando presión o vacío, se consigue que la plancha se adapte a las paredes del molde. Una vez enfriada, la pieza es extraída. Este método es el empleado para fabricar piezas de paredes finas, como los embalajes de las cajas de huevos o de bombones.
Imagen 12. Tecno 12-18. Copyright Cristóbal Sánchez
Moldeo por compresión En el moldeo por compresión se emplean moldes o matrices constituidos por dos partes, la hembra, donde se deposita la dosis necesaria del material en forma de gránulos y el macho, que cierra el molde. Se comprime el molde mediante una prensa y se eleva la temperatura, con lo que el material fluye y adquiere la forma deseada (la del molde). Transcurrido un tiempo se deja enfriar, se abre la matriz y se desmoldea la pieza.
Imagen 14. Tecno 12-18. Copyright Cristóbal Sánchez
Imagen 13. Wikipedia. Creative Commons.
Moldeo por transferencia Es una variante del moldeo por compresión, en la que el material a moldear, en estado pastoso, fluye hacia el interior del molde. Es un proceso rápido y económico y se emplea para la fabricación de grandes series de piezas, por lo que el molde suele tener forma de racimo.
Moldeo centrífugo En el interior de un molde se introduce la cantidad de material necesaria en estado fundido. Se hace girar el molde a la velocidad adecuada y la fuerza centrífuga empuja el plástico hacia las paredes del molde, adquiriendo su forma. Una vez enfriado se abre el molde y se extrae la pieza.
Imagen 15. Tecno 12-18. Copyright Cristóbal Sánchez
Moldeo por inyección La inyección es un proceso que se efectúa en máquinas similares a las de extrusión, en las que el husillo, además de girar, tiene un desplazamiento axial. En la inyección, una vez llenado el molde, se separa éste de la boquilla de la máquina, rompiendo el canal de alimentación. Trancurrido un cierto tiempo, la pieza ya enfriada se desmoldea. Son necesarias presiones y temperaturas elevadas, pero se obtienen piezas de buen acabado y a elevadas velocidades de producción.
Imagen 16. Wikipedia. Creative Common
Imagen 17. Tecno 12-18. Copyright Cristóbal Sánchez
Moldeo por extrusión-soplado
En este proceso, de la hilera sale un tubo que es introducido en un molde que reproduce la forma del envase, soplando aire a presión. Es esta presión la que hace que el plástico se dilate y recubra las paredes del molde adquiriendo su forma. Es el método que se emplea para fabricar recipientes y envases.
Imagen 18. Tecno 12-18. Copyright Cristóbal Sánchez
Espumación
La espumación consiste en introducir burbujas de aire en el plástico por agitación, por insuflado o añadiendo un gas espumante, para que éstas se fijen a la masa cuando solidifique El resultado es una disminución de su densidad, y es así como se producen esponjas, contenedores de alimentos, algunos embalajes…
Este para saber más es un vínculo a una página de la editorial de libros SM en la que te explican de una forma muy clara todo lo relacionado con los plásticos. http://www.librosvivos.net/smtc/homeTC.asp?TemaClave=1079 Lo que más te interesa y que debes ver tranquilamente es la animación de los distintos procesos de fabricación con plásticos que acabamos de estudiar.
¿Qué proceso de fabricación utilizarías para fabricar esta manguera?
Extrusión Inyección Calandrado Ver solución
¿Qué proceso de fabricación utilizarías para fabricar esta carpeta de plástico? Soplado Moldeo por compresión Calandrado Ver solución
¿Qué proceso de fabricación utilizarías para fabricar este cono de señalización? Moldeo centrífugo Calandrado Soplado Ver solución
¿Qué proceso de fabricación utilizarías para fabricar esta carcasa de móvil? Soplado Inyección Extrusión
PROPIEDADES GENERALES DE LOS PLÁSTICOS Coste reducido. Baja densidad. Buenos aislantes eléctricos. Buenos aislantes térmicos, aunque la mayoría no resisten elevadas temperaturas. Su combustión es muy contaminante. Resistentes a la corrosión y a los agentes químicos y atmosféricos.
PLÁSTICOS MEJORADOS El desarrollo en el campo de los plásticos es tal que diariamente se consiguen importantes innovaciones que mejoran las propiedades de estos materiales. Para ello se utilizan: Plásticos reforzados. Están constituidos por dos o más materiales; el material de refuerzo constituye el armazón del producto y es el que soporta los esfuerzos de tracción. Uno de los plásticos reforzados más resistentes es el kevlar que resulta prácticamente imposible de mecanizar y es irrompible, por lo que se usa en cascos de motorista, chalecos antibalas o blindajes. Plásticos laminados. Están formados por una base de material plástico, adosada a otra capa de otro tipo de material. Puede ser: Plástico-cartón. Resisten la humedad y se emplean como envases de bebidas, tetrabricks... Plástico-vidrio. Son buenos aislantes térmicos y resistentes a choques y presiones. Se emplean en la fabricación de termos para bebidas. Plástico-metal. Evitan la oxidación del metal. Se emplean como envases de conservas. Plástico-tejido. Soportan el roce y la abrasión. Son los cueros sintéticos. Plástico-plástico. Se emplean en la fabricación de envases de cosméticos y alimentos, ya que se consigue mejorar la dureza exterior y la tenacidad interior.
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Imagen 21. Isftic Creative Commons
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RESIDUOS PLÁSTICOS Dado que los plásticos son relativamente inertes, los productos terminados no representan ningún peligro para el fabricante o el usuario; los problemas que presenta la industria del plástico son similares a los de la industria química en general. Sin embargo, se ha demostrado que algunos monómeros utilizados en la fabricación de plásticos son cancerígenos. El gran problema de los plásticos es que la mayoría de los plásticos sintéticos no pueden ser degradados por el entorno: ni se oxidan ni se descomponen con el tiempo. En definitiva, la eliminación de los plásticos representa un grave problema medioambiental. La solución a este problema es, primero el consumo responsable y segundo, el reciclaje. Bajo los envases de plástico aparece en relieve un triángulo constituido por tres flechas giratorias con un número en su interior que indican de que tipo de plástico se trata y si es reciclable. Reciclables
No muy reciclables
4. LDPE (polietileno de baja densidad): envoltorios de alimentos.
1. PET (polietileno): Botellas de agua y otras bebidas
2. HDPE (polietileno de alta densidad): Botellas de detergente, vasos, envases de yogur.
Ocasionalmente reciclables
3. PVC (cloruro de polivinilo): botellas de aceite, envoltorios de carne, carpetas de oficina.
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5. PP (polipropileno): pañales, envases de yogur 6. PS (poliestireno): cajas de huevos, de bombones. 7. Other: otros tipos de plásticos, plásticos reforzados o laminados.
Imagen 26. Isftic. Creative Commons.
Nuevamente tienes un enlace a una lámina de EL MUNDO. En ésta te explican distintos modos de reciclar plásticos, y la posibilidad de reciclar cada uno de los tipos. http://aula2.elmundo.es/aula/laminas/lamina1034241625.pdf
Indica si las siguientes afirmaciones son verdaderas o falsas:
Las cajas de huevos no hay que echarlas al contenedor amarillo porque no son reciclables Verdadero
Falso
Los plásticos no representan ningun problema para el consumidor. Verdadero
Falso
Los plásticos se degradan fácilmente. Verdadero
Falso
Podemos saber si un plástico es reciclable y en qué medida por una marca en forma de círculo que llevan los productos. Verdadero
Falso
Como resumen de este tema tenemos este video en el que se ve como se fabrica una botella de plástico por extrusión-soplado y por moldeo centrífugo. También nos enseña cómo se reciclan los desechos del propio proceso productivo
2. Madera
La madera es una sustancia fibrosa y relativamente dura que constituye el tronco de los árboles.
Aunque en la actualidad ha sido sustituida por otros materiales en muchas aplicaciones, sigue siendo un material de elección predominante en la construcción y la minería. En los países pobres continúa siendo la fuente fundamental de energía.
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ESTRUCTURA DE LA MADERA La madera tiene una estructura fibrosa formada básicamente por celulosa, C6H12O5 , (60%), que constituye la estructura resistente de los vegetales, y lignina, C19 H24 O14 , que proporciona la rigidez y dureza a la madera. Además contiene, en menor proporción, resinas, almidón, azúcares, taninos, colorantes, alcoholes, y alcanfor, que son productos de utilidad industrial. Un corte transversal del tronco nos permite apreciar la estructura interior, que está formada por las siguientes partes: Corteza. Es una capa impermeable que recubre el árbol protegiéndole de agentes atmosféricos exteriores.
Imagen 29. Wikimedia.Creative Commons.
Cambium. Está constituida por células alargadas, que se transforman en nuevas células, las de la zona interior de madera nueva (xilema) y las de la cara externa de líber (floema). Es la zona encargada del crecimiento y desarrollo del árbol. Albura. Es la madera joven del árbol y está irrigada por mayor cantidad de savia, lo que la hace más vulnerable a la carcoma. Con el tiempo se convierte en madera más dura. Duramen. Es la madera con dureza y consistencia, formada por tejidos que han alcanzado su total desarrollo procedentes de la transformación de la albura. Núcleo o médula. Es la parte central y más vieja del árbol. Está formada por células tubulares sin prácticamente agua, que ha sido sustituida por resinas.
PROPIEDADES DE LA MADERA Las principales propiedades de la madera son: Resistencia, rigidez, dureza y densidad; cuanto más densa es la madera, más fuerte y dura será. Estas propiedades dependen de lo seca que esté la madera y de la dirección en la que esté cortada con respecto a la veta; siempre es mucho más resistente cuando se corta en la dirección de la veta, por eso las tablas y otros objetos como postes y mangos se cortan a favor de veta Tiene una alta resistencia a la compresión, es muy resistente a la flexión, presenta una baja resistencia a la tracción y moderada resistencia a la cizalladura. Además es un buen aislante térmico, acústico y eléctrico.
La madera no se usa para construir tirantes en puentes porque:
No hay árboles lo suficientemente largos. Es poco resistente a tracción. Porque es poco resistente a la cizalladura.
Casi todas las casas de las zonas de montaña se construían con tarima en el suelo, porque:
En las zonas de montaña hay muchos árboles y les resultaba económico utilizarla. Es buen aislante térmico y aisla la casa del frío exterior. Es buen aisante eléctrico y protege a la casa de los rayos cuando hay tormentas.
TRANSFORMACIÓN EN PRODUCTOS COMERCIALES Los árboles una vez talados siguiendo las técnicas adecuadas son limpiados de ramas y copa, después son transportados hasta las serrerías, donde se someten a los siguientes procesos para obtener productos comerciales: Descortezado. Se hace pasar a los troncos por una serie de rodillos granulosos giratorios que arrancan toda la corteza al tronco. Los residuos de este proceso son empleados como abono, combustible y para la construcción de tableros duros. Tronzado. Mediante sierras circulares se cortan los troncos a longitudes determinadas; si son de pequeño diámetro se cortan en tablones de sección cuadrada. El serrín obtenido se utiliza para la fabricación de pasta de papel y de tableros de aglomerado. Aserrado. Se cortan los troncos para obtener tablones de uso industrial. Se analizan los troncos para obtener el mayor número posible de ellos. Secado. Para poder emplear los tablones obtenidos es necesario que hayan perdido humedad, por lo que se les somete a procesos de secado. Se comienza este proceso de secado al aire libre, hasta que su humedad es del orden del 15%, y se termina de secar en hornos, con buena circulación de aire, para conseguir aumentar su dureza y resistencia. Cepillado. El fin de este proceso es dar a los tablones el acabo definitivo, eliminando impurezas y astillas y dejando las piezas a la medida adecuada para su comercialización.
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FABRICACIÓN DE TABLEROS MANUFACTURADOS En la actualidad casi no se emplea la madera maciza para la fabricación de muebles, sobre todo por la dificultad de poder obtener piezas de dimensiones considerables, y por los problemas de alabeo y deformaciones que ésta presenta. En su lugar se emplean tableros manufacturados, que tienen cada vez más demanda en los talleres de carpintería y ebanistería para su trabajo diario. Los más cotidianos son: Contrachapado La madera maciza es relativamente inestable y experimenta deformaciones de contracción y dilatación, por lo que es probable que sufra distorsiones. Para paliar este efecto, se construyen los contrachapados, pegando capas con las fibras transversalmente una sobre la otra, alternamente, consiguiendo así aumentar la resistencia del tablero. Están constituidos por un número impar de capas para formar una construcción equilibrada y a la capa central se denomina "alma".
Imagen 35. Wikimedia. Creative Commons
Aglomerado Se obtiene a partir de virutas y serrín de maderas encoladas a presión (50% virutas y 50% cola). Por lo general se emplean maderas blandas por la mayor facilidad de trabajar con ellas. Los aglomerados tienen superficies totalmente lisas y resultan aptos como bases para enchapados. Imagen 36. Kalipedia. Creative Commons.
La mayoría de los tableros aglomerados son relativamente frágiles y presentan menor resistencia a la tracción que los contrachapados. Les afecta la humedad, presentando dilatación de su espesor, dilatación que no se recupera con el secado. Hay diferentes tipos de aglomerado: Aglomerados de fibras orientadas: Material de tres capas a partir de virutas de gran tamaño colocadas en direcciones transversales, simulando el efecto estructural del contrachapado. Aglomerado decorativo: Es aglomerado recubierto con láminas de madera seleccionada, para dar sensación de ser madera más noble, o con plásticos imitando vetas y nudos. Para darle acabado a los cantos se comercializan cubrecantos con el mismo acabado de las caras. Aglomerado de una capa: Se realiza a partir de partículas de tamaño semejante uniformemente distribuidas. Su aspecto es basto y no se puede pintar directamente sobre él. Aglomerado de tres capas:Tiene una placa núcleo formada por partículas grandes que van dispuestas entre dos capas de partículas más finas de alta densidad. Su superficie es más suave y adecuada para ser pintada.
Tableros de Fibras Se obtienen a base de maderas que han sido reducidas a sus elementos fibrosos básicos y posteriormente reconstituidas para formar un material estable y homogéneo. Se fabrican de diferente densidad en función de la presión aplicada y el adhesivo empleado en su fabricación. Se dividen en dos tipos:
Imagen 37. Wikipedia. Creative Commons.
los de alta densidad (DH), que utilizan los aglutinantes presentes en la misma madera. los de densidad media (DM), que emplean resinas sintéticas, ajenas a la madera, como aglutinantes. Estos tableros pueden trabajarse como si fuese madera maciza, son una base excelente para enchapados y admiten bien las pinturas. Se fabrican en grosores entre 3 mm y 32 mm.
En esta lámina de EL MUNDO tienes un resumen de lo que hemos visto de la madera: distintos tipos de maderas, cómo se procesa la madera de un árbol para ser utilizada, maderas artificiales...
Las maderas manufacturadas se emplean porque: Son más baratas que la madera maciza de los árboles. Se pueden construir del tamaño que deseemos. Se comportan muy bien frente a la humedad, al contrario que las maderas de los árboles. Ver solución
El contrachapado: Es mejor que la madera porque no experimenta deformaciones. Se construye distintas chapas se pegan con la fibra en direcciones alternas para darle resistencia. Las distintas chapas se pegan con la fibra en direcciones alternas para darle dureza. Ver solución
Los aglomerados: Son ideales para elementos que vayan a estar a la intemperie. Son ideales para elementos que vayan a soportar esfuerzos de tracción. Son ideales para elementos con buenos acabados y precios bajos. Ver solución
Los tableros de fibra: Están fabricados con virutas aglutinadas con resinas. Están fabricados con fibras de madera aglutinadas con resinas. Están fabricados con chapas de madera aglutinadas con resinas. Ver solución
Desde 1999 IKEA, la multinacional sueca del mueble, tiene firmado el compromiso de emplear para sus productos exclusivamente madera procedente de explotaciones forestales sostenibles con el certificado de CFS (Consejo de Manufacturación Forestal).
OBTENCIÓN DE PASTA DE PAPEL Una de las principales aplicaciones de la madera es la fabricación de pasta para la fabricación de papel. Aunque existen varios métodos de obtener esta pasta con diferentes materias primas, la madera es la de mayor difusión. Se emplean dos procedimientos: el mecánico y el químico. En ambos se utilizan troncos de árbol de maderas blandas descortezados. En el procedimiento químico los troncos limpios son desmenuzados hasta convertirlos en viruta; después de cribada, es disuelta en cloro, depurada y refinada. La masa así preparada se introduce en un tanque mezclador, del que se extrae para la fabricación del papel. En el proceso mecánico los troncos son desfibrados para pasar a una fase de clasificación por tamizado. Después se procede a una separación de la celulosa, en un autoclave, eliminando la lignina y otros componentes. El producto obtenido pasa al tanque de mezclado, del que se extrae para fabricar papel.
Mira los siguientes vídeos que son muy interesantes para entender los procesos de transformación de la madera:
En este primero se nos muestra el proceso que sufre un árbol una vez que llega al aserradero.
En este otro vemos el proceso de fabricación de una puerta, desde el descortezado del tronco hasta el acabado.
Y en este último tiene fabrican aglomerado muebles con este m
3.Papel
En China fue donde comenzó a fabricarse papel a partir de los residuos de, la paja de arroz, el cáñamo, la seda, e incluso del algodón, el conocimiento de esta técnica fue transmitido a los árabes, quienes a su vez lo trasladaron a las que hoy son España y Sicilia en el siglo X, más tarde se incorporó al proceso restos de trapos o camisas viejas, con lo que se consiguió reducir su precio, lo que unido al descubrimiento de la imprenta propició la popularización de los libros a precios accesibles. En la actualidad y debido a que las fibras para su fabricación requieren de unas propiedades concretas, como elevado contenido en celulosa, coste reducido y fácil obtención, las más usadas son las vegetales, la materia prima habitual es la pulpa de celulosa, obtenida de madera de árboles, sobretodo pinos, por su precio y la longitud de su fibra y eucaliptos, por su elevada resistencia, se suelen utilizar otros materiales, como el algodón y el cáñamo.
Tipos de Pasta para producir papel En el proceso de producción de papel se pueden usar distintos tipos de pastas: Pasta mecánica de madera Con la primera elaboración de la madera se obtiene un producto impuro, porque la celulosa se utiliza mezclada con el resto de los componentes de la madera. Se utiliza para la elaboración de papeles de baja calidad (papel prensa para periódicos), tiene más aprovechamiento aunque menor calidad. Pasta morena Se consigue desfibrando la madera tras haberla lavado y hervido (para eliminar materias incrustantes y facilitar el desfibrado), se obtiene una pasta de fibras largas y resistentes, se emplea para la elaboración de cartones, papel de embalaje, sacos de papel, etc. Pasta química o celulósica Para la elaboración de papeles de buena calidad. Los primeros pasos son similares a los de la pasta mecánica pero luego se mezcla con una solución de bisulfito, a elevada temperatura, más tarde se lava la pasta con agua caliente para extraer los restos de bisulfito, se blanquea y se desfibra, finalmente obtenemos una buena pasta de celulosa. Pasta de paja Obtenida de cereales y de arroz. Posee un color amarillento y se emplea para la elaboración de papeles de carnicería y para el interior del cartón ondulado. Pasta de recortes Los recortes de papel se mezclan con pasta para reducir costes. Según la procedencia del recorte se dividen en distintas categorías: De cortes de bobina, en la fábrica al cortar las bobinas, papeles de buena calidad. De guillotina, se clasifica según la blancura, composición, etc. Recortes domésticos, provienen de las oficinas, para elaborar papeles de baja calidad. De la calle o impresos: solo utilizado para fabricar cartón gris. Pasta de trapos Se emplean trapos de algodón, cáñamo, lino y yute, está compuesta por celulosa pura, sin residuos ni impurezas, con ella se obtienen papeles de primera calidad.
Proceso de elaboración: (máquina continua). En el proceso de elaboración por el método de la lámina continua, la pasta de papel pasa a unos depósitos donde unos agitadores la mantienen en continuo movimiento, luego pasa por un depurador que separa las impurezas grandes y ligeras (plásticos, astillas..) y las impurezas pequeñas y pesadas (arenas, grapas..), más tarde la pasta se lleva a la caja de entrada mediante el distribuidor en el que la pasta se transforma en una lámina ancha y delgada, después llega en la mesa de fabricación, constituida por una malla metálica de bronce o de plástico, que, hace de tamiz dejando escurrir parte del agua, realizando un movimiento vibratorio transversal que entrelaza las fibras. Se transporta el papel por unos cilindros aspirantes, cuya función es la de absorber el agua que embeben las fibras, haciendo que la hoja quede con un buen perfil homogéneo a todo el ancho, después pasa por las prensas, que están provistas de unas bayetas que transportan el papel y a la vez absorben el agua comprimida por las prensas. Tras el prensado en húmedo la lámina atraviesa los secadores dónde mediante unos cilindros alimentados con vapor se seca, la hoja es transportada por unos paños que ejercen una presión sobre los secadores para facilitar la evaporación del agua de la lámina, después del secado, el papel llega a la calandria, formada por cilindros superpuestos verticalmente y apretados entre sí, lo que le da al papel un ligero alisado que puede ser definitivo o preparatorio para la calandria de satinado, según la presión de los cilindros, se obtienen distintos grados de satinado, con esto, además de alisar y compactar el papel, se le da mayor brillo a su superficie, finalmente el papel llega al plegador donde se procede a recogerlo en una bobina.
Proceso de obtención del papel. Multimedia 1.de Botnia. ©Botnia
El diario "El mundo" nos ofrece una web llamada "Aula de El Mundo" en la que entre otras muchas cosas, ofrecen laminas que pueden descargarse en formato pdf. Pulsando aquí puedes descargar la lámina que elaboraron sobre la fabricación del papel
Tipos de Papel Existe una gran variedad de tipos de papel, entre ellas las más notables son: Papel cristal. Papel traslúcido, muy liso y resistente a las grasas, por impermeabilidad y su bella presentación, se emplea en empaquetados de lujo, en perfumería, farmacia, confitería y alimentación, compite con el celofán o sus imitaciones. Papel de estraza. Papel fabricado principalmente a partir de papel reciclado. Papel libre de ácido. En principio, cualquier papel que no contenga ningún ácido libre Papel kraft. Papel de elevada resistencia, fabricado básicamente a partir de pasta química kraft, puede ser crudo o blanqueado, se usa en embalajes y los blanqueados, para contabilidad, registros y documentos oficiales Papel liner. Papel de gramaje ligero o medio se usa en las cubiertas y en las caras externas de los cartones ondulados. Papel (cartón) multicapa. Producto obtenido por combinación en estado húmedo de varias capas de papel, formadas separadamente, de composiciones iguales o distintas, que se adhieren por compresión y sin la utilización de adhesivo alguno. Papel pergamino vegetal. Empleado en planos por arquitectos y delineantes, es muy satinado y transparente. Papel sulfurizado. Su propiedad esencial es su impermeabilidad a la grasa, una alta resistencia en húmedo y buena impermeabilidad y resistencia a la desintegración por el agua. Papel tisú. Papel de bajo gramaje, suave, compuesto predominantemente de fibras naturales, es tan delgado que nunca se usa en una sola capa, es muy flexible y suave, de baja densidad y alta capacidad para absorber líquidos. Se usan para fines higiénicos y domésticos, se desintegran en agua. Papel permanente. Un papel que puede resistir grandes cambios físicos y químicos durante un largo periodo de tiempo (varios cientos de años). Papel fluting Fabricado expresamente ondulado para proporcionar rigidez y amortiguación, se usa en la fabricación de cartones ondulados.
Imagen 39. delicatessenelmuro.©
Imagen 40.isftic. Creative Commons
Imagen 41.isftic. Creative Commons
4.Vidrio
El vidrio se obtiene de una mezcla de arena de sílice (SiO2), con fundentes (Na2 CO3 ), y estabilizantes, como caliza (CaCO3 ), se añaden, cada vez en mayor medida, cascos de vidrio procedente de envases de vidrio reciclado, la mezcla funde en torno a 1.500 C. Al vidrio así obtenido se le da forma por laminación. Es un material inorgánico, amorfo, transparente, duro y frágil, empleado para fabricar una gran cantidad de productos, ventanas, lentes, botellas,…
El vidrio es reciclable sin límite de veces, al reciclarlo no pierde sus propiedades, ahorrándose alrededor del 30% de energía respecto al vidrio nuevo. Para ello se separa y clasifica según su color en tres grupos: verde, ámbar y transparente. El material ajeno debe ser separado, tapas metálicas y etiquetas, después el vidrio es triturado y fundido junto con arena, hidróxido de sodio y la caliza.
Imagen 42. saint gobain. ©VETROTECH SAINT-GOBAIN
Imagen 43. wineaval. ©wineaval
Imagen 44. equipesca. ©equipesca
La fabricación del vidrio se describe en la siguiente lámina, de las "Láminas coleccionables" de Aula del Diario El Mundo©, el proceso de fabricación del vidrio.
Si no visualizas la imagen anterior o deseas abrirla desde su ubicaci贸n original, pulsa [aqu铆] o teclea en el navegador http://aula2.elmundo.es/aula/laminas /lamina1075889982.pdf. Debes tener instalado Acrobat Reader para visualizarlo correctamente.
Tipos de Vidrio Los más significativos son: Soda-Cal. Es el más utilizado, pues son virtualmente inertes a la luz visible. Los recipientes de vidrios así fabricados, no contaminan la materia que contienen ni su sabor. Son poco resistentes al choque térmico. Plomo. Utiliza óxido de plomo en lugar de óxidos de calcio, y óxido de potasio en lugar del óxido de sodio, tienen un alto índice de refracción y permite una fácil decoración por esmerilado, corte o tallado. Borosilicato. Están compuestos principalmente de sílice y óxido bórico, presentan una buena resistencia a los choques térmicos Para obtener fibra de vidrio, el material fundido se estira hasta lograr filamentos muy pequeños que funcionan como aislantes eléctricos y térmicos en forma de planchas de fibra de vidrio. Actualmente, el vidrio flotado, plano, se destina a edificios y ventanas. La fibra óptica es un soporte de transmisión que se emplea en redes de datos; es un capilar muy fino de vidrio o ciertos plásticos, por el que se envían las señales que contienen los datos a transmitir. El haz de luz queda completamente confinado y se propaga por el interior de la fibra, son muy utilizadas en telecomunicaciones, porque permiten enviar a gran velocidad, gran cantidad de datos, más eficazmente que por radio o cable. Son inmunes a las interferencias, aunque a día de hoy presentan un coste elevado. En la actualidad están siendo empleadas en nuevos campos de aplicación.
Sabías que: El término "cristal" es utilizado erróneamente como sinónimo de vidrio, aunque es incorrecto ya que el vidrio es un sólido amorfo y no un cristal propiamente dicho.
La fibra Ă“ptica Multimedia 2. de Consumer Eroski. Lic. Creative Commons
La fibra Ă“ptica Multimedia 3. de GoogleVideo
5.Yeso
El yeso es sulfato de calcio dihidratado (CaSO4 2H2O), se comercializa molido, en forma de polvo, se obtiene del aljez, una piedra natural sedimentaria, incolora o blanca en estado puro, pero debido a impurezas puede presentar tonalidades grises, castaño o rosado.
Imagen 45. isftic. Creative Commons
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El proceso para la obtención de yeso consiste en la calcinación térmica del mineral triturado, eliminando el agua de cristalización químicamente combinada mediante deshidratación, al que se pueden añadir diversos materiales para modificar su capacidad de fraguado, resistencia, adherencia, retención de agua y densidad. El yeso es uno de los minerales mas ampliamente utilizados en el mundo. Una vez amasado con agua, se aplica directamente, fragua a gran velocidad.
Aplicaciones Es muy empleado en construcción para, enlucidos, como pasta de agarre y de juntas, en estucados y como soporte para pintura al fresco. En prefabricados, para tabiques (pladur), y placas de escayola para techos. En traumatología como férulas para inmovilizar huesos y favorecer la regeneración ósea en las fracturas. En la elaboración de tizas para escritura. En los moldes para reproducción de esculturas. En la fabricación de cemento, como elemento aditivo. Es mal conductor del calor y la electricidad, por lo que se usa como aislante térmico.
Sabias que… El pladur es de uso reciente en España, pero ya era empleado en Estados Unidos y en algunos pasíes de Europa desde principios del siglo XX, su uso ha facilitado enormemente la construcción de interiores, (tabiques, librerías, estantes…)está formado por una alma de yeso 100% recubierto por dos capas de celulosa multihoja, es ligero, fácil y rápido de instalar, proporciona un buen aislamiento térmico y acústico y su instalación no genera escombros
Multimedia 4. de ConsumerErsoki. Creative Commons
6.Cemento
Una vez extraída la materia prima (caliza, arcilla, arena, mineral de hierro y yeso) es molida hasta convertirla en granos, se mezcla convenientemente siguiendo diversas técnicas, después, en los hornos se produce el clínker a más de1500 °C, que luego es molido muy finamente con pequeñas cantidades de yeso para obtener cemento. Una vez que se mezcla con agua se hidrata y solidifica progresivamente. El proceso de fabricación del cemento consta de cuatro pasos: 1. 2. 3. 4.
Extracción y molienda de la materia prima Homogeneización de la materia prima Producción del Clinker Molienda de cemento.
El cemento es muy sensible al agua y la humedad, por lo que deberá almacenarse en depósitos secos, adecuadamente ventilados y evitando la presencia de humedad.
Imagen 48. solartpilar. ©flickr solartpilar
La siguiente animaci贸n de la empresa mexicana de cementos cemex, ilustra el proceso de obtenci贸n del cemento.
Multimedia 5.cemex.漏cemex
Existen diversos tipos de cemento, diferentes por su composición, por sus propiedades de resistencia y durabilidad, y por lo tanto por sus destinos y usos: El hormigón resulta de mezclar íntimamente cemento, grava, arena y agua, que va solidificando progresivamente, el producto final es un material que soporta muy bien los esfuerzos de compresión, en cambio su comportamiento ante los esfuerzos de cortadura y sobre todo de tracción es muy pobre, por lo que cuando tiene que trabajar bajo estas circunstancias se recurre al hormigón armado, que consiste en reforzarlo con barras o mallas de acero o fibra de vidrio, llamadas armaduras. Es muy usado en la construcción, de edificios, puentes, presas, túneles La estructura de hormigón armado está compuesta por diferentes materiales que trabajan en conjunto frente a la acción de las cargas a que está sometida. El acero cumple con la misión de soportar los esfuerzos de tracción y cortadura a los que se someten las estructuras, estos refuerzos de acero en el hormigón armado le otorgan ductilidad, ya que es un material que puede quebrarse por su fragilidad. El hormigón pretensado son unas vigas de hormigón sometidos intencionadamente a esfuerzos de tracción previos a su puesta en servicio. Esta técnica se emplea para superar la debilidad natural del hormigón a los esfuerzos de tracción, se empezó a utilizar en 1920. A partir de cables de acero tensados de antemano colocados en el molde de una viga, sobre ellos se vierte hormigón y se le deja fraguar durante el tiempo suficiente, para después retirar los esfuerzos de tracción con lo que los cables tratan de recuperar su posición inicial, sometiendo a toda la viga a un esfuerzo extra de compresión, es un método constructivo que se emplea con piezas prefabricadas: columnas, pilares, vigas, viguetas, pequeñas losas, etc.
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7. Porcelana
Producto compuesto de caolín, cuarzo y feldespato. Al ser cocido en horno a una elevada temperatura, vitrifica formando un material cerámico blanco, compacto, impermeable, duro (no lo raya el acero), translúcido y de gran densidad.
Es un material desarrollado en China a partir del siglo VII. Históricamente fue muy codiciado en occidente, se cree que fue el veneciano Marco Polo, quien en el año 1325, trajo a Europa las primeras indicaciones sobre su fabricación. El proceso de fabricación consta de cuatro etapas: 1. Se mezcla y amasa la pasta diluida en agua, cuyo principal componente es el caolín. 2. Se moldean las piezas. 3. Se cuece en horno a temperaturas que van desde 1000ºC a 1800ºC. 4. Se decoran con esmaltes y vuelven a hornearse. La primera fábrica que elaboró piezas en porcelana dura en Europa estaba Alemania, en el Siglo XVIII, quienes redescubrieron la fórmula de este material.
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8. Fibras textiles
Las fibras textiles son filamentos que se hilan o trenzan, se pueden tejer formando tejidos y se pueden teĂąir dĂĄndoles color.
Atendiendo a su origen podemos clasificarlas en: Fibras naturales: Están elaboradas a partir de componentes animales, vegetales o minerales. De origen animal. - Lana: es el pelo de las ovejas que se esquilan periódicamente, muy elástica y resistente, no se arruga. Se emplea en prendas de abrigo. - Seda: es el filamento del capullo de los gusanos, del que sale una única fibra que se hila con varias más. Es lavable, no se puede planchar, no absorbe la humedad, presenta una gran resistencia, se usa para la confección de tejidos caros.
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De origen vegetal. - Algodón: es la semilla de una planta, encoge mucho con el lavado, es muy transpirable y no produce alergias, se emplea en pantalones, camisas, ropa interior. - Lino: es el tallo de una planta, muy resistente, absorbe la humedad, muy fresco y no produce alergias, es más caro que el algodón, se usa para ropa de verano. - Esparto: es la hoja de una planta, su tacto es áspero, absorbe la humedad, se utiliza para fabricar suelas de zapatillas y artículos de artesanía.
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De origen mineral. - Amianto: es un material muy fibroso, cuya principal característica es que no propaga el fuego, por lo que se emplea para la fabricación de trajes ignífugos. Se ha descubierto que es cancerígeno, por lo que su uso se ha restringido mucho en los últimos años.
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Fibras artificiales: Se fabrican a partir de la transformación química de productos naturales
A mediados del siglo XIX en plena fiebre del oro, en las zonas mineras de California Levis Strauss confeccionó unos pantalones para ser usados por los mineros, que soportaran las duras condiciones de trabajo. Así nacieron los actuales pantalones vaqueros, confeccionados con el tejido “denim” que es un tejido muy denso de algodón grueso, en que la urdimbre y la trama se entrecruzan en diagonal
Busca la etiqueta de dos prendas de ropa, una camiseta y un chándal, por ejemplo, identifica los iconos que aparecen ella y busca que significado tienen, su composición, si son lavables, si se pueden planchar y a que temperatura…
9. Nuevos materiales
La ciencia del conocimiento de los materiales está en continuo desarrollo y día a día registra nuevos avances y descubrimientos en el campo de las propiedades químicas, ópticas, magnéticas,…
Dentro de los materiales que tenemos más próximos podemos mencionar: Cristales líquidos: son utilizados en las pantallas de los televisores y de los ordenadores, están formados por finos cristales de materiales conductores transparentes que dejan pasar la luz (óxido de estaño dopado con indio). Biomateriales: Muy utilizados en el campo de la implantación de prótesis, o de piel artificial. El objetivo es crear un biomaterial poroso que permita la interconectividad de tubos capilares, nervios y vasos sanguíneos, que actúe como órganos artificiales, durables, menos pesados y de bajo costo que no provoquen rechazo entre los receptores. Para su producción se utilizan ciertos polímeros sintéticos, o materiales metálicos a base de titanio y cobalto, o determinados compuestos cerámicos y vítreos. Imagen 62. redadictos. Copyright Materiales fosforescentes: Se utilizan para recubrir las paredes interiores de ciertos monitores o pantallas. Cuando estos son atravesados por radiaciones de una determinada longitud de onda no visible por el ojo humano, estas radiaciones provocan una modificación en los materiales y las convierten en visibles iluminándose cromáticamente, para lo que se emplea, óxido de itrio (Y2 O3), silicato de zinc (Zn2 SiO4). Así mismo se está desarrollando un nuevo campo, el de los nanomateriales de escala microscópica. Es este un campo nuevo y en general se está investigando y experimentando con materiales híbridos compuestos por elementos orgánicos, biológicos, inorgánicos,…. Entre ellos: Materiales orgánicos: que son producidos con virus, que no afectan a los seres humanos, y son empleados para fabricar microprocesadores más rápidos. Materiales inteligentes: que son capaces de copiar el comportamiento del organismo humano y sean capaces de reparar posibles averías. Materiales híbridos, (optoelectrónica): el objetivo de estas técnicas es reunir el campo de la óptica, la electrónica y la ciencia de materiales para desarrollar nuevos productos similares a los empleados en electrónica, pero que en vez de emplear electrones como portadores de la señal, emplean fotones. Con ello se consigue un consumo y Imagen 63. uma. Copyright volúmenes incomparablemente menores, así como unas velocidades de respuesta ultrarrápidas. Se está desarrollando un producto llamado PMO (periodic mesoporous organosilica) a base de metileno (orgánico) y silicio (inorgánico) Materiales superconductores: empleados en la fabricación de imanes permanentes, permiten la utilización de campos magnéticos muy potentes y estables, que prácticamente no presentan consumo energético, en la actualidad se están desarrollando nuevos superconductores a base de nioburo de estaño y de aleaciones con titanio y niobio. Geles: Materiales que responden a estímulos como los cambios de temperatura o de acidez.
Investiga sobre las aplicaciones que se prevee obtener de los nuevos nanomateriales.