TEMA 6: Los Materiales metálicosLos metales son materiales que tienen muchas aplicaciones en la actualidad, son una pieza clave en la industria del transporte y las telecomunicaciones, en elsector agrícola, en el campo de la construcción, en la maquinaria, etc.Propiedades de los metales:Los materiales metálicos presentan una buena resistencia mecánica a la tracción, compresión y flexión. Son dúctiles y maleables por lo que se pueden extender en hilos y planchas. Son tenaces ya que resisten los golpes. Algunos pueden presentar plasticidad y otros elasticidad. Son buenos conductores eléctricos, térmicos y acústicos. Algunos presentan un comportamiento magnético, es decir, que atraen a otros materiales metálicos. Presentan fusibilidad, es decir, que se funden fácilmente, lo que hace que se puedan soldar a otras piezas metálicas. También se dilatan cuando aumenta la temperatura y se contraen cuando disminuye. Se oxidan fácilmente. La mayoría son reciclables. Algunos de ellos, como el plomo o el mercurio son tóxicos.Obtención de los metales: Los metales son materiales que se obtienen a partir de los minerales que forman parte de las rocas. Laextracción de estos minerales se puede realizar en minas a cielo abierto, cuando el mineral se encuentraa poca profundidad, o en minas subterráneas cuando el mineral se encuentra a gran profundidad. Enambos tipos de explotación se utilizan, explosivos, excavadora, taladros y otra maquinaria para arrancarel mineral de la roca.Del mineral extraído de la mina debemos extraer la parte aprovechable, mena, de la parte que no nosinteresa, la ganga. Para eso se usan diferentes procesos físicos de separación.Tamizado: consiste en la separación de las partículas sólidas según su tamaño mediante tamices o cribas.Filtrado: es la separación de partículas sólidas en suspensión en un líquido a través de un filtro.Flotación: Es la separación de una mezcla de partículas sólidas en un líquido: las menos densas flotan y la más densas se quedan dentro del recipiente.

Después de separar la ganga de la mena, ésta se lleva a las industrias metalúrgicas donde se somete el mineral a diversos procesos físicos y químicos para obtener finalmente el metal que buscamos. La metalurgia es la industria que se encarga de la extracción y la transformación de losminerales metálicos.La siderurgia es la rama de la metalurgia que se dedica a la extracción y transformación delmineral de hierro.Metales ferrosos o férricos: son aquellos que tienen como componente principal el hierro, porejemplo: el acero y las fundiciones.Metales no ferrosos: son aquellos que no contienen hierro o lo tienen en pequeñasproporciones, por ejemplo: el cobre, el bronce, el cinq, el latón, aluminio, estaño, etc… Los metales ferrosos son los más empleados en la actualidad, ya que tanto las técnicas deextracción del mineral como los procesos de obtención del metal son relativamenteeconómicos. Estos minerales de hierro que se extraen de la corteza terrestre se someten a diferentes procesospara conseguir hierro puro y a otros procesos para conseguir la aleaciones, que son mezclasde varios metales.Las aleaciones del hierro se obtienen añadiéndole carbono. Se clasifican en:

El hierro: El hierro es un material de color blanco agrisado que presenta buenas propiedades magnéticas pero se corroe con facilidady es frágil, blando y quebradizo. Debido a su poca resistencia su única aplicación es en la fabricación de imanes. Después del aluminioes el segundo metal más abundante en la corteza de la tierra. Sus principales aleaciones son aquellas de la familia de los ferro-carbonos ( Acero y fundiciones) El acero: El acero es una aleación Fe-C en la que el carbono está por debajo de1.76% en peso. Tiene una gran dureza y resistencia mecánica. El acero es unmaterial que conduce bien la electricidad, es dúctil, maleable, y muy tenaz. Porel contrario al no ser que se le añada un determinado elemento extra a laaleación el acero es propenso a oxidarse, acortando de manera considerable suvida útil. Dependiendo de si el acero esta aleado con una determinada cantidadde otro elemento o no el acero se clasifica en dos grupos principales: los aceros“puros” y los aleados.

Aceros puros:Estos aceros sólo presentan en su composición hierro y carbono. Aceros especiales o aleados:

Los aceros aleados contienen además de carbono, otros elementos químicos que le confieren determinadas propiedades. Por ejemplo: el manganeso le proporciona dureza y resistencia al desgaste; el cromo añade dureza y hace que el acero sea inoxidable; el niquel mejora la corrosión, aumenta la tenacidad y mejora la resistencia a la tracción, el silicio le confiere elasticidad y flexibilidad y el vanadio aumenta la resistencia a la fatiga.Proceso de obtención del acero: Se introduce el mineral de hierro junto con la cal y el carbón en el alto horno a una temperatura de 1650 ºC. El hierro se funde, se mezcla con el carbono y forma el arrabio o acero de primera fundición. En este proceso necesitamos el carbón no solo para alearse con el hierro sino también para producir la reacción de combustión necesaria para alcanzar la temperatura necesaria. La función de la caliza es mezclarse con las impurezas para separarlas en forma de escoria.

El arrabio obtenido en el alto horno, se somete a más procesos de afino posteriores para ajustar su composición, eliminar las impurezas y también añadir otros elementos como cromo, niquel, manganeso, silicio, vanadio, etc según nos interese.

Aplicaciones de los aceros: La mayoría de las utilidades de este material tienen que ver con la mecánica. A excepción de los usos para las estructuras de edificios, el resto de aplicaciones del acero tienen que ver generalmente la construcción de el cuerpo y/o alguna pieza especifica de algún sistema mecánico por ejemplo, un coche. Los astilleros y sistemas ferroviarios son también grandes consumidores de este material.

Tratamientos (para acero). Puede ser sometido a una serie de tratamientos superficiales y/o térmicos que pueden aportar al material nuevas cualidades.Superficiales:-Cromado: recubrir el acero

con cromo. -Galvanizado: recubrir elacero con cinc.

-Niquelado: recubrir el acero conniquel.

Térmicos: -Templado: consiste en enfriar bruscamente el metal cuando está incandescente. Mejora la dureza, la resistencia y la elasticidad.

-Recocido: consiste en dejar enfriar muy despacio el metal caliente.(mejora la ductilidad y maleabilidad para someterlo a nuevos estiramientos)

La Fundición: La fundición es un compuesto Fe-C en el que el carbono supera en peso el 1.76%. Por norma general son frágiles y duras y resistentes al desgaste. Adquieren diferentes propiedades según el proceso de obtención.Aplicaciones de la Fundición: Debido a que no aceptan muchas de las formas de transformación del acero la fundición es usada para hacer mayormente piezas de moldeo, o piezas que deben de ser sometidas a grandes esfuerzos mecánicos. Se usa para fabricar diversos elementos de maquinaria, carcasas de motores, engranajes, pistones, farolas, tapas de alcantarilla, etc

Impacto medioambiental:Durante todo el proceso de obtención se producencontaminaciones en las tres etapas de la obtención del material: a la hora deobtener la materia prima, durante la transformación, y al reciclar o desechar.Metales no ferrosos:Los metales no ferrosos son aquellos que no contienen hierro o lo tienen enpequeñas proporciones. Su obtención es más costosa que la de los metalesferrosos ya que están presentes en menor cantidad en los minerales y por ellolos procesos de obtención y transformación requieren mucha más cantidad deenergía. Los metales no ferrosos se pueden clasificar según su densidad enmetales pesados, ligeros y ultraligeros.

Metales pesados:EL Cobre: Obtención y propiedades: Se obtiene a partir de los minerales cuprita,calcopirita y malaquita. Presenta una alta conductividad térmica yeléctrica. También es maleable y dúctil. Es blando, de color rojizo y brillointenso. Se oxida fácilmente formando óxido de cobre que tiene colorverde (desagües de los lavabos).Aplicaciones: Se usa para fabricar cables eléctricos, hilos de telefonía,bobinas de motores, tuberías, calderas, radiadores y aplicaciones decorativas y artísticas en arquitectura, bisutería y artesanía.Aleaciones: A partir del cobre se pueden obtener diferentes aleaciones como por ejemplo: El Latón: Es una aleación de cobre y cinc. Tienealta resistencia a la corrosión. Se emplea enornamentación decorativa, en artesanía, en joyería,en juegos de cubiertos y en la fabricación detuberías y turbinas.El Bronce: Es una aleación de cobre y estaño.Presenta elevada ductilidad y buena resistencia aldesgaste y a la corrosión. Se emplea para hélices debarco, campanas, tuercas, engranajes, obras de arte.Alpaca: Aleación de cobre, níquel, cinc y estaño.Se emplea en joyería y bisutería.Cuproniquel: Aleación de cobre y níquel. Se emplea en la fabricación de monedas.

El Plomo:Obtención y propiedades: Se obtiene de la galena. Es un metal de color grisplateado, blando y pesado. Es un material plástico y maleable y buen conductor delcalor. Es muy tóxico por inhalación. Aplicaciones: Se emplea en la fabricación de baterías y acumuladores y forma partede algunas gasolinas. En la industria del vidrio y de la óptica se emplea comoaditivo que añade dureza y peso. También se emplea como protector de lasradiaciones nucleares. El Estaño:Obtención y propiedades: Se obtiene de la casiterita. Es un metal de color blanco brillante, muy blando, poco dúctil y muymaleable y no se oxida a temperatura ambiente.Aplicaciones: Con él se fabrica el papel de estaño y la hoja de lata que es una chapa de acero con las caras recubiertas de unapelícula de estaño. Aleaciones: La aleación de estaño y plomo se emplea como material de unión en las soldaduras blandas (para unircomponentes electrónicos)

El Cinc:Obtención y propiedades: Se obtiene de la blenda y de lacalamita. Es un metal de color gris azulado, brillante, frágil yblando.Aplicaciones: Se emplea en las cubiertas de edificios, en lascañerías y canalones y también en la industria de la automoción.Mediante el proceso de galvanización se recubren las piezas conuna ligera capa de cinc para protegerlas de la corrosión.

Metales ligeros:Aluminio:Obtención y propiedades: Se obtiene de labauxita. Es un metal blanco plateado, quepresenta una alta resistencia a la corrosión. Esmuy blando, de baja densidad y gran maleabilidady ductilidad. Presenta también una altaconductividad eléctrica y térmica.Aplicaciones: Se emplea en líneas eléctricas dealta tensión y por su baja densidad en la fabricación de aviones, automóviles y bicicletas. También se usa en la carpintería metálica, en cubiertas, decoración, útiles de cocina y botes de bebidas.

El Titanio:Obtención y propiedades: Se extrae delrutilo y la ilmenita. Es de color blancoplateado, brillante, ligero, muy duro yresistente.Aplicaciones: Su brillo característicohace que resulte muy apropiado paradeterminadas estructuras arquitectónicas. Además, se emplea en la industria aeroespacial y en la fabricación de prótesis médicas

Metales ultraligeros:El Magnesio:Obtención y propiedades: Se extrae de minerales como la magnesita o la olivina. Es unmetal de color blanco brillante, muy ligero, blando, maleable y poco dúctil. Aplicaciones: Reacciona violentamente con el oxígeno por eso se usa en pirotecnia. Encombinación con otros metales, permite obtener aleaciones muy ligeras que se usan enaeronáutica y en la fabricación de automóviles, motos y bicicletas.

Técnicas de conformación:Para obtener piezas de diferentes formas, el metal se somete a una serie de procesos de conformación que se escogen en función del metal y de la aplicación posterior.La Deformación: Abarca todas las técnicas que modifican la forma de una pieza metálica mediante la aplicación de fuerzas externas.

Laminación: Se hace pasar la piezametálica por una serie de rodillosllamados laminadores, que lacomprimen con lo que disminuye sugrosor y aumenta la longitud. Esteproceso se emplea para hacerplanchas, chapas, barras, perfilesestructurales, etc.

Extrusión: Se hace pasar el metal caliente porun orificio que tiene la forma deseada,aplicando una fuerza de compresión medianteun émbolo o pistón. Así se pueden obtenerpiezas largas con el perfil adecuado. Es unatécnica idónea para obtener barras, tubos yperfiles variados.

Forja: Se somete la pieza a esfuerzos de compresión repetidos y continuos mediante martillo, tenazas y yunque. Esta técnica manual fue sustituida por la forjaindustrial. En la forja industrial, la pieza se coloca sobre una plataforma que hace de yunque y mediante un mecanismo neumático o hidráulico, una maza se eleva y cae sucesivamente sobre la pieza. Ambos tipos de forja se realizan en caliente.

Estampación: Se introduce la pieza metálica caliente entre dos matrices, una fija y otra móvil, quetienen la forma que le queremos dar alobjeto. Después se juntan las matrices,con lo que el material adopta su formainterior. Se emplea en la construcciónde carrocerías de automóviles,radiadores, etc.

Embutición: Es el proceso de conformación enfrío que consiste en golpear una plancha demanera que se adapte a un molde o matriz con laforma deseada. Esta técnica se emplea paraobtener piezas huecas, como arandelas a partir dechapas planas.

Dobla: Se somete una plancha a un esfuerzo de flexiónpara que adopte una forma curva con un determinadoradio de curvatura. También permite obtener piezas conángulos.

Trefilado: Se hace pasar un alambrepor un orificio con la dimensióndeseada. Después se aplica una fuerzade tracción mediante una bobina dearrastre giratoria, aumentando sulongitud y disminuyendo su sección.Se emplea para fabricar hilos o cablesmetálicos.

Moldeo: Consiste en introducir el metal fundido en un recipiente que tiene una cavidad interior. Ese recipiente llamado molde puede estar hecho de arena, acero o fundición. Primero se calienta el metal en un horno hasta que se funde. Despuésse vierte el material fundido en el interior del molde, se deja enfriar hasta que el metal solidifica y por último se extrae la pieza del molde.

Herramientas para metales:Algunas de las herramientas que se utilizan para el trabajo con metales son:

Marcar y trazar : Punta de trazar y granete: se usan para marcar líneas y puntos en las láminas respectivamente. Compás de puntas: es de acero y sirve para trazar circunferencias y arcos

Corte:Tijeras de chapa o cizalla: se usan para cortar láminas blandas yflexibles de pequeño grosor. Guillotina: Se emplea para cortar láminas de pequeño grosor.Sierra de arco: Consta de un arco de metal, un mango de plásticoy tuercas de mariposa para apretar la hoja. Se usa cuando loscortes necesitan precisión. Sierra circular: Es una máquina que se usa principalmente paracortar planchas o láminas de grandes dimensiones. Rebarbadora: Consta de una muela circular extraíble. Según el material delque esté hecha la muela, permite cortar, lijar, decapar, pulir, desbastar, etc…

Perforación: Punzón: Consta de una pieza metálica alargada que termina en punta. Permitehacer agujeros en el material al golpear con un martillo sobre el mango. Taladro: Es una máquina que permite hacer agujeros en un material medianteuna broca que gira y avanza. Las brocas son unas barras cilíndricas con ranurasy pueden ser de diferentes materiales, longitudes y diámetros.

Desbastar, Limar :Cincel y Buril: Son herramientas formadas por una punta de doble bisel. Se utilizan para tallar el material golpeando con unmartillo sobre el mango con un ángulo de 5º sobre el material.

Lima: Consta de un cuerpo metálico y estriado y mango de madera o plástico. Puede presentar diferentes secciones:triangular, cuadrada, redonda, plana y de media caña. Se utiliza para arrancar material sobrante de la pieza.

ACTIVIDADES :1. ¿Cuáles son las propiedades más importantes de los materiales metálicos?2. Señala la propiedad que más interesa para fabricar los siguientes objetosmetálicos: un cable eléctrico, el casco de un buque, un yunque, las tuberías de agua de un edificio, un puente metálico.3. Señala con ejemplos la utilidad que puede tener la alta conductividad térmica de los metales.4. ¿De dónde se extraen los minerales que contienen los metales? ¿Cómo se llama la parte del mineral que se aprovecha y cómo la que desechamos?5. ¿Qué técnicas conoces para separar el metal del mineral? Explícalas.6. Define: Metalurgia, siderurgia, metal ferroso, metal no ferroso, aleación.7. ¿Cuáles son las aleaciones del hierro? ¿En qué se diferencian?8. ¿Qué propiedades tiene el hierro? ¿Cuál es su aplicación?9. ¿Qué propiedades más relevantes presenta el acero? ¿Qué dos tipos de acero hay en función de su composición?10. ¿Qué material crees que fue empleado en la construcción de los siguientes objetos de acero aleado? ¿Qué propiedades debe tener el material en cada caso?

11. Explica el proceso de obtención del acero.12. ¿Cuáles son las aplicaciones más importantes del acero?13. ¿Qué tratamientos se le puede dar al acero?14. ¿Cuáles son las propiedades de la fundición? ¿Y sus aplicaciones más importantes?15. Enumera las características principales del cobre, del plomo, del estaño y del cinc. ¿Cuáles son sus aplicaciones?

16. Señala cuáles son las aleaciones del cobre, su composición y los usos de cada una de ellas.17. ¿Cuáles son las características principales del Aluminio? ¿Qué aplicaciones fundamentales tiene?18. ¿Cuáles son las características principales del Titanio? ¿Qué aplicacionesfundamentales tiene?19. ¿Cuáles son las características principales del Magnesio? ¿Qué aplicaciones fundamentales tiene?20. Señala el metal no ferroso al que se refiere cada una de las siguientes afirmaciones:

– Se emplea como protector para radiaciones.– Forma parte de las latas de alimentos.– Es un metal ultraligero.– Se emplea en carpintería metálica. – Se emplea para fabricar campanas.– Se emplea en la fabricación de monedas.– Se usa en la fabricación de baterías.– Se usa para soldar componentes electrónicos.– Con él se galvanizan piezas metálicas para protegerlas de la

oxidación.– Se fabrican latas de bebidas.– Se utiliza en la fabricación de prótesis médicas.– Se utiliza en la fabricación de aeronaves.

21 ¿Con qué materiales están hechos normalmente los cables eléctricos? ¿y las bobinas para motores? ¿Por qué?22. ¿Por qué se utiliza el plomo en la industria del vidrio y la óptica?23. ¿Qué es la hoja de lata?24. ¿Qué material debido a su brillo se utiliza en determinadas estructuras arquitectónicas?25. ¿Qué material que reacciona violentamente con el oxígeno se usa en pirotecnia?

26. ¿Qué material crees que se usó para fabricar los siguientes objetos?

27. Explica las siguientes técnicas de deformación: laminación, forja y estampación.

28. Explica brevemente las siguientes técnicas de deformación de los metales: extrusión, embutición, dobla y trefilado.

29. Indica en cada caso qué técnica utilizarías parafabricar los siguientes objetos metálicos:- una herramienta- la carrocería de un coche- una chapa- un perfil- arandelas- pieza angular- un cable metálico- el pomo de una puerta

30. Fíjate en el dibujo yexplica los pasos parafabricar un radiador.

31. Explica elfuncionamiento de latécnica del moldeo en losmetales. Dibuja la piezaque se obtendría con elmolde de la figura:

32. Indica el nombre de la técnica de conformación que se está aplicando en cada caso:

33. Nombra las siguientes herramientas para trabajo con metal e indica para qué operación se usa cada una de ellas: