CONTENIDO 3.1. INTRODUCCIN 3.2. CLASIFICACIN DE LOS MATERIALES (GENERALIDADES) 3.3. ACEROS 3.3.1. Aceros de construccin mecnica 3.3.2. Aceros aleados y elementos de aleacin 3.3.3. Aceros resistentes a la oxidacin y la corrosin (aceros inoxidables). 3.3.4. Aceros para herramientas 3.4. FUNDICIONES 3.4.1. Introduccin 3.4.2. Caractersticas de las fundiciones: 3.4.3. Razones para el uso extensivo las fundiciones 3.4.4. Generalidades sobre las fundiciones 3.4.5. Tipos de fundiciones 3.5. ALEACIONES NO FERROSAS 3.5.1. Aleaciones de aluminio 3.5.2. Cobre y sus Aleaciones: 3.5.3. Latones 3.5.4. Bronces 3.5.5. Aleaciones de magnesio 3.5.6. Aleaciones de cobalto-cromo 3.5.7. Titanio y aleaciones de titanio 3.5.8. Aleaciones de nquel-titanio 3.5.9. Aleaciones para restauraciones dentales 3.5.10. Aleaciones de oro 3.5.11. Otras Aleaciones 3.6. MATERIALES NO METLICOS. 3.6.1. Materiales polimricos (plsticos) 3.6.1.2. Sectores industriales en los que participan los plsticos y tipos de piezas 3.6.1.3. Ventajas y desventajas de los materiales plsticos frente a los metales 3.6.1.4. Divisin de los plsticos. 3.6.1.5. Materias primas de los plsticos 3.6.1.6. Proceso de polimerizacin 3.6.1.7. Clasificacin de los plsticos 3.6.1.8. Aditivos para polmeros 3.6.1.9. Posibilidades y lmites de reciclaje de materiales plsticos

3. MATERIALES P ARA CONSTRUCCIN DE PIEZAS MECNICAS

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3.7. MATERIALES CERMICOS 3.7.1. Introduccin 3.7.2. Generalidades sobre las materias primas de los cermicos 3.7.3. Principales materias primas de los cermicos 3.7.4. Clasificacin de las materias primas cermicas 3.7.5. Clasificacin de los materiales cermicos 3.7.6. Tratamiento trmico de piezas cermicas 3.8. VIDRIOS 3.8.1. Vidrio templado

3.9. MATERIALES COMPUESTOS 3.9.1. Introduccin 3.9.2. Fibras utilizadas en el refuerzo de materiales compuestos 3.9.3. Plsticos reforzados con fibras 3.9.4. Estructuras laminares tipo emparedado o sandwich 3.9.5. Metales revestidos 3.9.6. Compuestos de matriz metlica (CMM) 3.9.7. Materiales compuestos hbridos 3.10. HORMIGN (CONCRETO) 3.10.1. Definicin 3.10.1. Resistencia a la compresin del hormign 3.10.1. Ventajas 3.10.1. Desventajas: 3.11. ASFALTO 3.12. MADERA 3.12.1. Propiedades de la madera 3.12.2. Contenido de humedad 3.12.3. Resistencia mecnica de la madera 9.12.4. Contraccin Referencias bibliogrficas 3.1. INTRODUCCIN El comportamiento y funcionamiento de un producto depende del tipo o tipos de materiales usados en la fabricacin de la pieza. En la actualidad hay ms de 50.000 diferentes materiales disponibles para el diseo y fabricacin de productos. Cada material no es la nica opcin correcta para un uso dado; por tanto, se tiene la necesidad de conocer y seleccionar el material ms conveniente. Se estima que el costo de los materiales llega a ser casi del 50% del costo total del producto. Sin embargo, para usos en microelectrnica, como en el caso de los computadores, el costo de los materiales es casi 5% del costo del producto. Dado que el volumen usado en estructuras civiles y mecnicas es muy alto, hay mayores oportunidades para las innovaciones en diseo de materiales de ingeniera. 3.2. CLASIFICACIN DE LOS MATERIALES (GENERALIDADES) Los materiales suelen clasificarse en tres grandes grupos, siendo ellos, los metales, los cermicos y los polmeros. A partir de estos, se obtienen las diferentes familias de materiales como son: Aleaciones metlicas, donde se pueden considerar los materiales ferrosos (aceros y fundiciones), y los no ferrosos (Aleaciones de Cu, Al, Mg, Ti, entre muchas otras). Con respecto a los aceros, estos pueden ser clasificados como aceros al carbono y aceros aleados. Dentro de los aceros al carbono se tienen aceros de bajo porcentaje de carbono (0.01 0.15%C), de medio porcentaje de carbono (0.2 - .045%C) y de alto porcentaje de carbono (> 0.45%C). Los aceros al carbono a veces son llamados aceros de baja, media y alta aleacin, pero haciendo alusin nicamente al carbono como elemento aleante principal. En cuanto a los aceros aleados, estos se

clasifican en diferentes familias, de acuerdo al elemento o elementos aleantes principales. Entre estos aceros, se pueden enumerar. Los aceros inoxidables, de construccin mecnica, estructurales, aceros para herramientas, aceros para moldes plsticos, etc. Dentro de los materiales no ferrosos, se tiene otra amplia gamma de familias, entre las que se destacan las aleaciones de aluminio, Cu, Sn, Mg, Ti, etc, y las superaleaciones, diseadas para soportar los mas altos esfuerzos, con los menores pesos posibles, siendo bastante caras y utilizadas principalmente en las industrias militar, espacial y aeronutica. Una familia de materiales que presenta en la actualidad un desarrollo importante, son los materiales compuestos, los cuales son combinaciones de las tres grandes familias de materiales, para dar origen a esta relativa nueva familia de materiales. Igualmente importante en el campo de estudio y de mejoramiento de las propiedades de los materiales, es el hecho de que en la actualidad se est trabajando en la deposicin por diferentes mtodos, de pelculas tanto metlicas, cermicas y polimricas, buscando con estos recubrimientos mejorar las condiciones de trabajo de los materiales base, en lo que se refiere a corrosin, desgaste, aislamiento trmico, elctrico, etc. A continuacin es realizado un resumen de algunas de las principales familias de materiales. 3.3. ACEROS Los aceros son aleaciones de hierro carbono, aptas para ser deformadas en fro y en caliente. Aunque tericamente un acero puede contener cerca de 2% de carbono, en general el porcentaje de este no excede el 1,1%. El acero se obtiene sometiendo el arrabio (mineral de hierro) a un proceso de decarburacion y eliminacin de impurezas llamado refino (oxidacin del elemento carbono) En funcin del porcentaje de carbono, los aceros se clasifican en: - Aceros hipoeutectoides, si su porcentaje de carbono es inferior al correspondiente al punto eutectoide en un diagrama Hierro - Carbono, o sea cerca de 0,80%. - Aceros hipereutectoides, si su porcentaje de carbono es superior al correspondiente al punto eutectoide. Desde el punto de vista de su composicin, los aceros se pueden clasificar en dos grandes grupos: Aceros al carbono: formados principalmente por hierro y carbono y elementos residuales (denominados elementos traza ) como: P, S, Mn en pequeos porcentajes y. Aceros aleados: Que contienen adems del carbono, otros elementos en cantidades suficientes como para alterar sus propiedades como son: como dureza, puntos crticos, tamao del grano, templabilidad, resistencia a la corrosin, etc). Entre los elementos qumicos que influyen en la resistencia a la corrosin de los aceros estn el cromo, que favorece la resistencia a la corrosin; integra la estructura del cristal metlico, atrae el oxgeno y hace que el acero no se oxide, el molibdeno y el tungsteno tambin favorecen la resistencia a la oxidacin. Otros elementos comnmente encontrados en los aceros aleados estsn. Al, Cu, V, Nb, Ti, Mn, Si, etc. De acuerdo a la aplicacin, los aceros se pueden clasificar como: Aceros de construccin mecnica, aceros inoxidables, aceros para herramientas, aceros estructurales, entre otros. A continuacin se hace un pequeo resumen de las principales caractersticas de estas familias de aceros. 3.3.1. Aceros de construccin mecnica Son los aceros ms utilizados para construir piezas mecnicas que forman parte de maquinas y equipos industriales, siendo que sus propiedades estn determinadas principalmente por la composicin qumica y el tratamiento trmico. A continuacin se presenta a la nomenclatura de los aceros de construccin mecnica segn el sistema AISI SAE basado en la composicin qumica. En el sistema AISI- SAE, los aceros de construccin mecnica se nombran con cuatro dgitos. El primer dgito especifica el elemento aleante principal, el segundo dgito indica el % del elemento aleante principal y los dos ltimos dgitos informan sobre la cantidad de carbono presente en la aleacin (en centsimas). Las convenciones para el primer dgito son: 1 MANGANESO 2 NIQUEL 3 - NIQUEL-CROMO, principal aleante el cromo 4 MOLIBDENO

5 CROMO 6 - CROMO-VANADIO, principal aleante el cromo 8 - NIQUEL-CROMO-MOLIBDENO, principal aleante el molibdeno 9 - NIQUEL-CROMO-MOLIBDENO, principal aleante el nquel No hay aceros numerados 7xxx porque estos aceros resistentes al calor prcticamente ya no se fabrican. En caso que el primer nmero sea 1 se trata de un acero al carbono; si el dgito siguiente es el 0, o sea que la designacin es 10xx, se trata de un acero ordinario al carbono, as: 1030 significa un acero ordinario al carbono con 0.30%C. Otra clasificacin comnmente usada se hace con respecto a los elementos de aleacin presentes en el acero y del tratamiento trmico al cul va a ser sometido, de acuerdo con esta clasificacin los aceros para ingeniera se dividen en: ACEROS AL CARBONO PARA CEMENTACION. Utilizados para la fabricacin de bulones, ejes, cadenas, bujes, remaches, tuercas, tornillos racores, eslabones para cadenas, pasadores, y en general en elementos de ingeniera que requieran gran tenacidad conjuntamente con una baja resistencia mecnica. Ejemplos AISI - SAE. 1010, 1016, 1020 ACEROS AL CARBONO PARA TEMPLE Y REVENIDO. Utilizado para la fabricacin de palancas para frenos, cigeales, herramientas agrcolas, productos estampados y forjados en la industria automotriz, y en general en piezas de ingeniera que requieran dureza y tenacidad. Ejemplo AISI - SAE. 1035, 1040, 1045. ACEROS AL CARBONO DE ALTO MANGANESO (hadfield). Son aceros usados en la fabricacin de piones, bujes, casquillos, partes para la industria petrolera, acoples, ejes de transmisin. Ejemplo AISI - SAE. 1518 ACEROS ALEADOS PARA CEMENTACION. Son usados en la fabricacin de engranajes, ejes de leva, cigeales, tornillos sinfn, cuerpos de vlvulas. Ejemplo AISI - SAE. 8620, 8615. ACEROS ALEADOS PARA TEMPLE Y REVENIDO. Usados en la fabricacin de ejes, reductores, engranajes, transmisin, esprragos, bielas, cinceles, tijeras, rotores de turbinas, y en general piezas que requieran alta resistencia mecnica. Ejemplo AISI - SAE. 4140, 4340, 5160 3.3.2. Aceros aleados y elementos de aleacin Los aceros aleados no slo poseen propiedades fsicas ms convenientes, sino que tambin permiten una mayor amplitud en el proceso de tratamiento trmico, El efecto de los principales elementos de aleacin adicionados a los aceros se resume a continuacin. - Cromo: la adicin de este elemento origina la formacin de diversos carburos de cromo que son muy duros; sin embargo, el acero resultante es ms dctil que un acero de la misma dureza producido simplemente al incrementar su contenido de carbono. La adicin de cromo ampla el intervalo crtico de temperatura. - Nquel: la adicin de nquel al acero ampla el nivel crtico de temperatura, no forma carburos u xidos. Esto aumenta la resistencia sin disminuir la ductilidad. El cromo se utiliza con frecuencia junto con el nquel para obtener la tenacidad y ductilidad proporcionadas por el nquel, y la resistencia al desgaste y la dureza que aporta el cromo. - Manganeso: el manganeso se agrega a todos los aceros como agente de desoxidacin y desulfuracin, pero si el contenido de manganeso es superior a 1%, el acero se clasifica como un acero aleado al manganeso. Este elemento reduce el intervalo crtico de temperaturas. - Silicio: Este elemento se agrega como desoxidante a todos los aceros. Cuando se adiciona a aceros de bajo carbono, produce un material frgil con baja prdida por histresis y alta permeabilidad magntica. El uso principal del silicio es, junto con otros elementos de aleacin, como manganeso, el cromo y el vanadio, estabilizar los carburos. - Molibdeno: El molibdeno forma carburos y tambin se disuelve en la ferrita hasta cierto porcentaje, de modo que intensifica la dureza y la tenacidad. El molibdeno disminuye sustancialmente el punto de transformacin. Debido a esta disminucin, el molibdeno es de los elementos ms eficaces para impartir propiedades deseables a partir del temple en aceite o al aire. Exceptuando al carbono, el molibdeno es el que tiene el mayor efecto endurecedor, aportando adems un alto grado de tenacidad.

- Vanadio: Es un fuerte desoxidante y promueve la formacin de un tamao de grano fino, tambin acrecienta la tenacidad del acero. El acero al vanadio es muy difcil de suavizar por revenido, por lo que se utiliza ampliamente en aceros para herramientas. - Tungsteno: (wolframio) este elemento se emplea mucho en aceros para herramientas, por que la herramienta mantendr su dureza an cuando estuviera candente o al rojo. Produce una estructura densa y fina, impartiendo tenacidad y dureza. 3.3.3. Aceros resistentes a la oxidacin y la corrosin (aceros inoxidables). Los aceros inoxidables son resistentes a la corrosin atmosfrica, a los cidos y lcalis y a la oxidacin a temperaturas no muy elevadas. En los aceros inoxidables, la accin de los elementos aleantes es muy importante y depende del porcentaje del o los elementos de aleacin que este contenga. El cromo es el elemento aleado que ms influye en la resistencia a la oxidacin y a la corrosin de los aceros inoxidables. Un 12% de cromo ya impide la corrosin ocasionada por el aire hmedo del ambiente. Para la oxidacin a altas temperaturas se puede necesitar hasta un 30 % de Cr. El Nquel mejora la resistencia a la corrosin de los aceros inoxidables y es el responsable de que algunos de estos aceros presenten una estructura austentica. El Molibdeno mejora la resistencia a la oxidacin a altas temperaturas. - Familias de aceros inoxidables - Aceros Inoxidable Ferrticos (serie 4XX) Casi la mitad de este tipo de aceros es producido en placas, las que se terminan con laminados en fro. Se utiliza en utensilios de cocina, partes ornamentales para autos, etc. Son atractivos porque proporcionan buena resistencia a la corrosin lquida y a la oxidacin a alta temperatura y son ms baratos que los Austenticos, poseen adems buena resistencia a la corrosin por picadura y a la corrosin bajo tensin. Sin embargo tienen varias limitaciones, entre las que se destacan las siguientes: Su deformacin es pobre al ser estirado, tienen bajo coeficiente de acritud "n" y moderada deformacin uniforme. Tienen una fuerte reduccin de la resistencia al impacto al disminuir la temperatura, la temperatura de transicin dctil-frgil disminuye fuertemente al disminuir el % de C, es sensible a las entallas. La composicin tpica de algunos de estos aceros se presenta en la tabla 1. Tabla 1. Composicin qumica de algunos aceros inoxidables ferrticos 1.

Nombre % Cr %C %Si %Mn %Al

405 13 0.08 Mx 1 Mx 1 0.2

430 17 0.12 Mx 1 Mx 1 ---

446 25 0.20 Mx 1 Mx 1.5 --- Normalmente se usan en estado de recocido. Para este estado, algunas sus propiedades tpicas son presentadas en la tabla 2. Tabla 2. Propiedades de traccin de aceros inoxidables ferrticos en estado de recocido.

Resistencia a la fluencia, f 40 - 50 Ksi 276 - 345 MPa

Resistencia ltima a la traccin, U 65 - 80 Ksi 450 - 552 MPa

% de Elongacin 20 - 30% En estado recocido, estos aceros presentan en una matriz de ferrita con partculas de carburo dispersas, (ver figura 1)

Figura 1. Microestructura de un acero inoxidable ferrtico mostrando estructura de ferrita con carburos (puntos negros). Vilella 200X 1. Al calentar un acero inoxidable ferrtico comercial que contiene C y N arriba de 900C y luego enfriar a temperatura ambiente, se produce una severa fragilizacin y prdida de resistencia a la corrosin, causada por la precipitacin de carburos y nitruros ricos en Cr en los lmites de grano, tales como (Cr,Fe)7C3 y/o (Cr,Fe)23C6 (ver figura 2). Estos carburos y nitruros disminuyen fuertemente el contenido de Cr en las regiones vecinas a los bordes de granos, quedando estas regiones desprotegidas para resistir la corrosin (zonas sensibilizadas). Estos precipitados pueden formarse durante la soldadura o debido a tratamientos trmicos a alta temperatura. Este problema se puede resolver bajando los contenidos de C y N a niveles de 0,002 %C y 0,0095 %N, tambin es posible remediarlo agregando Ti o Nb, estos elementos son fuertes formadores de carburos y evitan la formacin de carburos de Cr, previnindose as las zonas sensibilizadas. La resistencia a la corrosin aumenta con un mayor contenido de Cr de 16 a 28%, por otra parte la adicin de un 2% de Mo mejora la resistencia a la corrosin por picadura, lo que es muy deseable, ya que este tipo de corrosin es muy daina, atacando localmente y en forma rpida.

Figura 2. Carburos y carbonitruros presentes en un acero inoxidable ferrtico despus de someterlo a tratamiento trmico a alta temperatura1,2. - Aceros Inoxidables Martensticos Estos aceros difieren de los ferrticos en su mayor contenido de C (0,12 a 1,2%) y su contenido de Cr flucta entre un 12% y un 17%. La relacin entre C y Cr debe ser tal que puedan ser austenizados, es decir, que al ser calentados se caiga dentro del campo de austenita. Para esto se debe cumplir la siguiente relacin:

5.12)C(%17Cr% (1) Estos aceros pueden ser templados y revenidos para lograr resistencias a la fluencia en el intervalo de 550 a 1860 MPa. El contenido de Cr hace que estos aceros presenten gran templabilidad, esto permite ser templados al aire, an en secciones grandes. Los ms usados de los aceros inoxidables martensticos son el 410, 420 y 440A, 440B y 440C (la composicin tpica de algunos de ellos se muestra en la tabla 3).

Tabla 3. Composicin qumica de algunos aceros inoxidables martensticos 1.. Nombre % Cr %C %Si %Mn %Mo

410 12.5 Ms 0.15 --- Mx 1 ---

420 13 0.35 Mx 1 Mx 1 ---

440B 16 - 18 0.75 a 0.95 Mx 1 Mx 1 Max 0.75 En condiciones de recocido, la microestructura de acero 410 consiste en una matriz equiaxial de granos de ferrita con carburos dispersos aleatoriamente, como se muestra en la figura 3 a. En condiciones de templado al aire y revenido, la estructura de esta aleacin consiste en martensita con precipitado de partculas de carburo, Figura 3b.

(a) (b)

Figura 3. Microestructura de aceros inoxidables martensticos, a) Con carburos globulares y b) con carburos finos 1,2,3.. La resistencia a la corrosin de los aceros inoxidables martensticos es relativamente pobre en comparacin con la de los Austenticos y ferrticos. La mayora de los aceros inoxidables martensticos contienen slo el mnimo requerido de Cr (12%), para su pasividad en ambientes hmedos, ya que si se aadiera ms Cr se promovera la formacin de ferrita a expensas de la austenita, la cual es necesaria para la formacin de la martensita. Slo cantidades limitadas de otros aleantes, como el Ni, pueden ser adicionadas, esto debido a que la transformacin de austenita a martensita se ve inhibida. - Aceros inoxidables Austenticos Los aceros inoxidables austenticos son esencialmente aleaciones ternarias de Fe, Cr y Ni, que contienen de un 16 hasta un 25% de Cr y de un 7 a un 20% de Ni, estas aleaciones son llamadas austenticas debido a que su estructura permanece austentica, (CFC o Fe-), a temperatura ambiente despus de un recocido a alta temperatura. La mayor parte de estos aceros contienen de un 0,06 a 0,1 % de C. Cabe sealar que algo del Ni de esta aleacin puede ser reemplazado por Mn sin alterar la estructura austentica del acero. La composicin qumica de algunos aceros inoxidables austenticos tpicos se muestra en la tabla 4. Tabla 4. Composicin qumica de algunos aceros inoxidables ferrticos 1.

Tipo % Cr % Ni % C % Mn % Mo

302 17-19 8-10 0.15 2.0 ---

304 18-20 8-10 0.08 2.0 ---

310 24-26 19-22 0.25 2.0 ---

316 16-18 10-14 0.08 2.0 2.3

304L 18-20 8-10 0.03 2.0 ---

316L 16-18 10-14 0.03 2.0 2-3

El Ni ampla la regin donde la austenita es estable, adems de bajar la temperatura Ms. Debido a su estructura CFC estos aceros son no magnticos y poseen alta resistencia al impacto a bajas temperaturas. Por ser de una sola fase son fcilmente soldables, adems, debido a esto su lmite de fluencia es bajo, pudiendo ser endurecidos slo por trabajo en fro o por solucin slida. Su desventaja es su alto costo y su susceptibilidad a la corrosin bajo tensin. Estos aceros tienen la mejor resistencia a la corrosin, a medida que el ambiente es ms corrosivo, (por temperatura o por cidos ms fuertes), se utilizan aceros inoxidables con mayores cantidades de elementos de aleacin, un ejemplo de esto es el AISI 304. La adicin de 2% de Mo aumenta resistencia a la corrosin por picadura del AISI 316.

En la Figura 4 se puede observar que un acero de 18%Cr y 8%Ni cuando se enfra lentamente desde 1050C, en un rango de 850C y 400C sufre abundante precipitacin de carburos de Cr en los lmites de granos. El Cr a estas temperaturas tiene baja velocidad de difusin; por tanto la regin vecina a los lmites de grano se empobrece de Cr y queda sensible a la corrosin intergranular.

Figura 4. Microestructura de un acero inoxidable austentico donde se evidencian precipitados y corrosin intergranular 2. - Aceros inoxidables duplex Poseen una estructura mixta de ferrita y austenita, siendo que la cantidad de cada fase es una funcin de la composicin y del tratamiento trmico. Los principales elementos de aleacin en este tipos de aceros son el Cr y el Ni, pero otros elementos como N, Cu, Si y Mo son adicionados para aumentar la resistencia a las corrosin. Estos materiales presentan valores de lmite de resistencia, lmite de fluencia, y resistencia a la corrosin bajo tensin mayores que los aceros inoxidables austenticos de composicin semejante. - Aceros inoxidables endurecibles por precipitacin Son aleaciones endurecidas por tratamiento trmico, sendo que sus excelentes propiedades mecnicas son obtenidas durante revenido, de la misma forma que los martensticos. Debido a su alta resistencia mecnica y razonable resistencia a la corrosin, son usados en la industria aeroespacial y en aplicaciones avanzadas 3.3.4. Aceros para herramientas En este grupo de aceros se incluyen aquellos que normalmente se emplean en la fabricacin de tiles o herramientas destinados a modificar la forma, tamao y dimensiones de los materiales por corte, presin o arranque de viruta. Los aceros de herramientas tienen generalmente un contenido en carbono superior a 0.30%, aunque a veces tambin se usan aceros de bajo contenido en carbono (0.1 a 0.30%), para la fabricacin de ciertas herramientas. Tipos aceros de herramientas: 1. Aceros de endurecimiento en Agua, (W): contienen solamente C en % entre 0.6 y 1.4, se usan en general como

herramientas de corte o cuchillera. 2. Aceros resistentes al impactos, (S): se usan en herramientas que estn sometidas a impacto y por tanto deben tener

buena tenacidad, es decir, resistencia al impacto. No necesariamente deben alcanzar mxima dureza. Este tipo de acero contiene tpicamente: 0.5% C, 0.5% Mo, 1.5% Cr, 2% Si.

3. Aceros para trabajo en fro, templables en aceite (O): son muy utilizados para la fabricacin de herramientas para trabajo en fro como matrices, donde la resistencia al desgaste y resistencia al impacto son muy importantes. Un acero muy conocido es el O1: 0.9% C, 0.5% W, 0.5% Cr, 1% Mn.

4. Aceros para trabajo en fro, templables al aire (A): son utilizados para aplicaciones donde se requiere excepcional resistencia al impacto y buena resistencia a la abrasin, como por ejemplo en matrices de estampado, de extrusin y de trefilacin. Un acero tpico es el A2, su composicin tpica es: 1% C, 1% Mo, 5% Cr.

5. Aceros para trabajos en caliente, tipo H: estos aceros mediante endurecimiento secundario, mantienen la dureza a alta temperatura. Es tpico su uso en herramientas y matrices.

6. Aceros base Cromo, H10: 0.4% C, 2.5% Mo, 3.25% Cr, 0.4% V 7. Aceros base Tungsteno, H21: 0.35% C, 9% W, 3.5% Cr 8. Aceros base Molibdeno, H42: 0.6% C, 6% W, 5% Mo, 4% Cr, 2% V 9. Aceros rpidos, Tipo T y M: son aceros altamente aleados, usados para cortes de alta velocidad. Deben mantener su resistencia a alta temperatura y al desgaste a esas temperaturas para mantener bordes afilados.

Desarrollan carburos de tungsteno y molibdeno para mantener resistencia a alta temperatura. 10. Tipo T (Tungsteno), T1: su composicin tpica es: 0.75% C, 18% W, 4% Cr y 1% V, es utilizado en la fabricacin de brocas, matrices, escareadores. 11. Tipo M (Molibdeno), M1: 0.85% C, 1.5% W, 8.5% Mo, 4% Cr, 1% V.

La Figura 5 a) muestra las curvas TTT de un acero O1 para temple en aceite, y la Figura 5 b) muestra las curvas TTT de un acero A2, en ellas se observan que la nariz del diagrama donde se presenta la formacin de perlita y de bainita estn separadas por una regin donde no se inicia transformacin alguna, esta zona se puede aprovechar para homogenizar temperaturas. De igual forma la Figura 5 c) muestra las curvas TTT de un acero rpido M2 y la Figura 6 muestra las variaciones de dureza con la temperatura de revenido en un acero M2, en ella se observa el fuerte endurecimiento secundario.

(a) (b)

(c)

Figura. Diagrama TTT a) para un acero O1, b) para un acero A2 temperatura de austenizacin 970C y c) para un hacer M2 4 .

Figura 6. Variaciones de dureza con la temperatura de revenido en un acero M2, obsrvese el fuerte endurecimiento secundario obtenido en este acero 4. Otros tipos de aceros para herramientas incluyen: -Aceros al carbono: usados en la fabricacin de herramientas para los ms diversos usos. Se emplean aceros sin elementos de aleacin con porcentajes de carbono variables de 0.50 a 1.40%. Para herramientas que deban tener gran tenacidad como martillos y picas; se emplean aceros con contenidos medios de carbono (0.50 a 0.70%). Para herramientas de corte como brocas, cuchillas y limas; se usan aceros con porcentajes intermedios de carbono (0.70 a 1%). Para conseguir la mxima dureza, todos estos aceros deben ser templados en agua. -Aceros rpidos: la caracterstica fundamental de estos aceros es conservar su filo en caliente, pudindose trabajar con las herramientas casi al rojo (600), sin disminuir su rendimiento. Algunas composiciones tpicas de los aceros rpidos son: C = 0.75%, W = 18%, Cr = 4% y V = 1% ; otra C = 0.75%, W = 18%, Co = 4% y V = 1.25%. -Aceros indeformables: reciben este nombre los aceros que en el temple no sufren casi deformaciones y con frecuencia despus del temple y revenido quedan con dimensiones prcticamente idnticas a las que tenan antes del tratamiento. Esto se consigue empleando principalmente el cromo y el manganeso como elementos de aleacin. Estos aceros templan con un simple enfriamiento al aire o en aceite. Composiciones tpicas: C = 2% y Cr = 12%; C = 1% y Cr = 5% y otra C = 1% y Mn = 1%. -Aceros al corte no rpidos: se agrupan varios aceros aleados, principalmente con cromo y wolframio, muy empleados para la fabricacin de herramientas de corte que no deben trabajar en condiciones muy forzadas. Pueden considerarse como unas calidades intermedias entre los aceros rpidos y los aceros al carbono, y la mayora de herramientas fabricadas con ellos suelen quedar con durezas comprendidas entre 60 y 66 Rockwell-C. La tabla 5 presenta un resumen de algunas propiedades como estado de entrega, dureza en estado de entrega y dureza obtenida por temple y formato y tamao en el cual se consiguen comercialmente. Tabla 5. Informacin bsica de aceros para herramientas 4. Acero, AISI

Estado de entrega Dureza Dureza obtenible por Temple Medidas disponibles

D3

Recocido Blando 250 Brinell max 6365 HRC Redondos: 1/2" 12" Platinas: 25 x 15 400 x 80 mm Cuadrados:5/8" 5.7/8"

D2 Recocido Blando 250 Brinell max 63 65 Rockwell C Redondos: 5/8" 10" Platinas: 40 x 15 350 x 60 mm Cuadrados: " 4"

O1 Recocido Blando 250 Brinell max. 63 65 Rockwell C. Redondos: 3/8" 16" Platinas: 25 x 9.5 304.8 x 50.8 mm Cuadrados:5/8"6"

H13 Recocido Blando 229 Brinell max. 52 56 Rockwell C. Aceite/sal 50 54 Rockwell C. Aire

Redondos: 3/4" 13" Platinas: 100 x 30 350 x 100 mm

H10 Recocido Blando 229 Brinell max. 52 56 Rockwell C. Redondos: 7/8" 9" S1 Recocido Blando 225 Brinell max. 55 59 Rockwell C Redondos: 5/8" 3" Platinas: 280 x 45 y

305 x 100 mm

3.4. FUNDICIONES 3.4.1. Introduccin Las fundiciones o hierros fundidos son un grupo de materiales a base de hierro, carbono, silicio y otros elementos aleantes, adicionados de acuerdo a las propiedades que se deseen. Estos materiales son clasificados en varias familias de acuerdo a su composicin qumica, microestructura y propiedades. Tales familias incluyen entre otras, la fundicin gris, nodular, de grafito compacto, aleadas, blanca, moteada y maleable. 3.4.2. Caractersticas de las fundiciones: - Pueden considerar como los materiales ms utilizados en el presente, debido a su alto volumen de produccin. La produccin mundial es de por lo menos tres veces en comparacin con otros materiales metlicos de ingeniera entre ferrosos y no ferrosos. - Presentan una amplia gama de aplicaciones de acuerdo a la familia. Con estos materiales se pueden fabricar bloques de motores de combustin interna, tuberas para transporte de agua, vapor y otros gases, cigeales, rtulas de direccin, carcazas de bombas, frenos, engranajes, uas para retroescabadoras, herrajes, etc. En la actualidad ms de 200.000 piezas se fabrican en este material en los pases industrializados. 3.4.3. RAZONES PARA EL USO EXTENSIVO LAS FUNDICIONES Las siguientes son consideradas razones de peso que justifican la amplia utilizacin de estos materiales en el mbito industrial: - Presentan excelentes propiedades mecnicas y fsicas. - Por el bajo costo de las piezas de fundicin, ya que son de fcil fabricacin, ya que que presentan ms baja temperatura de fusin que los aceros. - Facilidad de mecanizado. -Por las grandes innovaciones tecnolgicas referentes a los sistemas de produccin y diseo de las piezas fundidas. - Fcil fabricacin de piezas de gran tamao (figura 7a) y piezas pequeas de forma complicada (figura 7b). - Por su elevada resistencia a la compresin (500 a 2000 Mpa) y una resistencia a la traccin entre 120 y 1250 Mpa (este ltimo valor obtenido en fundicin nodular con tratamiento trmico de austemperado). - Por su elevada resistencia al desgaste y excelente absorcin de vibraciones en mquinas, motores (especialmente las fundiciones gris y de grafito compacto). - Su produccin exige menos precauciones que el acero.

(a) (b)

Figura 7.a). Pieza de 61500 Kg fabricada en fundicin gris. b) Piezas pequeas de forma complicada obtenidas por fundicin (5) 3.4.4. Generalidades sobre las fundiciones Las fundiciones incluyen muchos metales que tienen una gran variedad de propiedades. Aunque a menudo las fundiciones son consideradas metales simples de producir y especificar, la metalurgia de ellas es ms compleja que la del acero y la de muchos otros metales. Aceros y fundiciones son ambos bsicamente hierro, en donde el carbono es el principal aleante. Los aceros contienen menos de 2% de C y normalmente menos de 1% de este elemento. Por otro lado, todas las fundiciones contienen ms del 2% de carbono. El mximo contenido de carbono en el que el hierro puede solidificar en una solo fase

aleada con todo el carbono disuelto en la austenita es del 2%. Siendo as, las fundiciones, por definicin, solidifican como aleaciones heterogneas y siempre presentan ms de un constituyente en su microestructura. Adems de carbono, las fundiciones tambin contienen silicio, normalmente entre 1 a 3%. En este sentido, las fundiciones son realmente aleaciones de hierro, carbono, silicio, pudiendo contener elementos como Mn, P, Cr, Ni, S, Al, Cu, etc, dependiendo de s son fundiciones ordinarias o aleadas. El contenido de carbono en las fundiciones es la clave para obtener diferentes propiedades. La precipitacin de carbono en forma de grafito durante la solidificacin, contrarresta la contraccin normal del metal al solidificar, pudindose obtener secciones estrechas (delgadas). El grafito tambin proporciona excelente maquinabilidad. Estos materiales son resistentes al desgaste [wear-resisting], y con excelentes propiedades de absorcin de vibraciones [damps vibration]. Sin embargo, no tienen la suficiente ductilidad para ser laminadas o forjadas. La presencia de grafito ayuda a aumentar la lubricacin en superficies sometidas a desgaste, (igualmente s las superficies estn bajo condiciones de lubricacin lmite). Cuando la mayor parte del carbono queda combinada con el hierro en forma de cementita (como en la fundicin blanca), la presencia de carburos de hierro duros, proporcionan una buena resistencia de la abrasin. La composicin qumica de las fundiciones ms comunes puede verse en la tabla 6. Cabe sealar, que en muchas ocasiones los valores de la composicin qumica en estos materiales se solapan y por lo tanto no es posible diferenciar unas de otras por un simple anlisis de composicin. Tabla 6 Intervalos de composicin qumica aproximados de fundiciones no aleadas. (5)

Elemento Fundicin gris, % Fundicin blanca, %

Fundicin maleable, %

Fundicin nodular, %

Carbono 2.5-4.0 1.8-3.6 2.0-2.60 3.0-4.0 Silicio 1.0-3.0 0.5-1.9 1.10-1.60 1.8-2.8 Manganeso 0.25-1.0 0.25-0.80 0.20-1.0 0.10-1.0 Azufre 0.02-0.25 0.06-0.20 0.04-0.18 0.03 mx fsforo 0.05-1.0 0.06-0.10 0.18 mx 0.10 mx

3.4.5. Tipos de fundiciones Los tipos de fundiciones ms comunes que se utilizan en la industria metalmecnica son blanca, gris, nodular o dctil, maleable (de corazn negro o corazn blanco), de grafito compacto y aleadas. Las fundiciones no aleadas estn compuestas bsicamente por elementos como: Carbono, Silicio, Manganeso, Fsforo y Azufre, estos dos ltimos en cantidades menores. A continuacin se realiza una breve descripcin de cada uno de estos tipos materiales. - Fundicin blanca Si la velocidad de extraccin del calor es grande como producto de un enfriamiento rpido, la solidificacin se completa con el eutctico Fe-Fe3C llamado ledeburita, el producto final se denomina fundicin blanca, sta se caracteriza por su color blanco y por ser bastante dura. La ledeburita consta de lminas alternadas de austenita y Fe3C (cementita) tal como se ilustra en la figura 8.

Figura 8. Distribucin de la austenita (blanca) y la cementita (negra) en ledeburita formada en fundicin blanca (6). Si la composicin es hipoeutctica, por ejemplo 3% de C, primero se forman dendritas de austenita proeutctica. Al llegar a la temperatura eutctica (1135 C), el lquido restante solidifica como eutctico de austenita + Fe3C (ledeburita). Cuando se contina el descenso de la temperatura y se baja de la temperatura eutectoide (728C), la austenita transforma en perlita. A menor temperatura no queda austenita sino que toda ella se ha transformado en perlita, Figura 9 (a).

Si la composicin es hipereutctica, sobre la temperatura eutctica se forman dendritas de Fe3C y al disminuir la temperatura, finalmente solidifica la ledeburita que forma la matriz. Igual que en el caso anterior, la austenita se transforma en perlita al descender bajo la temperatura eutectoide, Figura 9 (b).

Figura 9. Ledeburita formada en una fundicin blanca. a) hipoeutctica y b) hipereutctica (6).

Por tanto, las fundiciones blancas son aleaciones Fe - C cuyo proceso de solidificacin y de transformacin se realiza de acuerdo con las leyes correspondientes al diagrama metaestable Fe-Fe3C, esto debido a que la velocidad de enfriamiento es bastante rpida durante la solidificacin. Con esta velocidad, el metal solidificar con todo el carbono combinado con el hierro, formando carburo de hierro (cementita), constituyente duro y frgil. Diferentes micrografas de algunos tipos de fundicin blanca puede verse en las figuras 10 a, b y c.

a) b) c)

Figura 10. Micrografas de la fundicin blanca. a) Microestructura mostrando perlita (oscura) y cementita (blanca). b) Microestructura de perlita dendrtica (gris) y carburos interdendrticos (blanco). c) Fundicin blanca que muestra un patrn dendrtico de austenita (listones negros) y carburos (blanco). (7) La fundicin blanca presenta baja colabilidad (capacidad de permanecer lquida con la disminucin de temperatura), debido a la alta temperatura de solidificacin y que adems solidifica con todo el carbono en forma combinada. - Fundicin maleable Esta fundicin aparece del afn de ablandar la fundicin blanca y convertirla en un material tenaz. Para la poca en que se comenz a utilizar la fundicin moteada, solo exista la posibilidad de trabajar con fundicin gris; muy dctil o fundicin blanca; muy frgil y dura, y aunque se contaban con aceros que ofrecan las exigencias requeridas, siendo imposible hacer piezas de forma complicada. Apareci entonces un mtodo para obtener a partir de la fundicin blanca otro tipo de fundicin; caracterizada por tener la mayora de su contenido de carbono conformando ndulos irregulares de grafito, obtenidos por tratamiento trmico de recocido. Cabe anotar que la fundicin blanca a partir de la cual se obtiene la maleable debe tener una composicin qumica adecuada. Una vez retirada del molde, la fundicin blanca se somete a un tratamiento trmico que comienza a 900C. Durante este tratamiento, la cementita se disocia y el carbono precipita como grafito. El espesor de la pieza se ve limitado, debido a la velocidad de enfriamiento necesaria para formar la fundicin blanca de la cual se obtiene la maleable. Con el fin de obtener mayor espesor de piezas se le adiciona a la colada elementos como el bismuto y telurio. Existen dos procedimientos para fabricar fundicin maleable. Uno denominado Europeo, con el que se fabrica la maleable de corazn blanco y otro Americano, con el que se fabrica maleable de corazn negro. La obtencin este tipo de fundiciones se realiza bsicamente en dos pasos: el primero consiste en adquirir la fundicin blanca a partir de la cual se obtendr la maleable y el segundo tiene que ver con el tratamiento de recocido, el cual ser

explicado a continuacin para cada tipo de fundicin maleable. Micrografas de este material pueden verse en las figuras 11 a, b y c.

a) b) c)

Figura 11. Micrografas de la fundicin maleable. a). Maleable perltica, con temple y revenido, microestructura de grafito y partculas de MnS en una matriz de martensita revenida. b) Maleable ferrtica. c) Maleable perltica en estado de recocido microestructura de perlita y grafito. (7)

- Fundicin gris En general las fundiciones grises son ms blandas y de fractura griscea, donde la mayor parte del carbono se encuentra en forma de grafito. En las fundiciones grises, donde la formacin de grafito es facilitada por la presencia de un elevado contenido de silicio y donde las velocidades de enfriamiento son relativamente lentas, se favorece la obtencin de piezas de gran espesor. Micrografas de este material pueden verse en las figuras 12 a, b y c.

a) b) c)

Figura 12 Micrografas de fundicin Gris. a) Matriz de perlita con cementita esferoidizada para trabajo a altas temperaturas. b) Gris aleada, y consta de grafito tipo A con carburos libres (zonas blancas). c) Templada y revenida, su microestructura consta de grafito en una matriz de martensita revenida. (7)

Para obtener fundiciones grises, se deben vigilar los porcentajes de S y Mn, los cuales convienen que sean bastante bajos. En comparacin con la fundicin blanca, las fundiciones grises son ms utilizadas en la construccin de partes mecnicas. Cuando no se exigen unas caractersticas mecnicas muy elevadas, las condiciones ms interesantes que en general conviene que cumplan estas fundiciones son: - Que tengan buena colabilidad - Facilidad de mecanizado. - Que no queden poros, para ello la temperatura de fusin debe ser baja y el contenido de carbono debe ser alto, aproximadamente de 3 a 3.75% y contenidos de silicio entre 1.25 y 2.50%. - La t en las fundiciones grises ordinarias suele variar entre 100 y 200 Mpa con durezas del orden de 120 - 180 HB. Para una fundicin gris de calidad, estos valores varan entre t de 200 a 350 Mpa y dureza entre 180 y 250 HB. - Fundicin nodular Su caracterstica principal es su alto mdulo elstico, esto la ha llevado a ser la segunda fundicin ms utilizada en el mbito mundial despus de la gris. Posee tambin una alta resistencia mecnica, lo que permite utilizar cargas elevadas con menores deflexiones. Su lmite elstico puede variar entre 280 y 700 Mpa y su ductilidad incrementarse en ms del 18% en estado de recocido. Su obtencin es de ms cuidado que la gris, de ah la adecuada seleccin que debe hacerse de la chatarra. Su maquinabilidad es tan buena como la de la gris pero tiene menor capacidad de absorber vibraciones. Es muy utilizada en aplicaciones que requieren colabilidad, maquinabilidad y resistencia a la corrosin.

La fundicin nodular se designa con seis dgitos XX YY ZZ donde XX es la mnima resistencia a la traccin en miles de psi, YY corresponde al lmite elstico en miles de psi y ZZ el porcentaje de alargamiento. Estos datos son obtenidos en muestras de dos pulgadas de longitud. Las fundiciones nodulares pueden ser de tres tipos: a. Ferrticas: su matriz es ferrtica con ndulos de grafito. Posee maquinabilidad, ductilidad y lmite elstico moderado. b. Perlticas: con buen lmite elstico y ductilidad pero baja maquinabilidad, se pueden templar superficialmente. c.Tratadas trmicamente: con tratamientos trmicos como normalizado, templadas y revenidas o austemperadas, presentan alta resistencia a la traccin y alto lmite elstico. Las figuras 13 a, b y c, muestran micrografas de la fundicin nodular. a) b) c) Figura 13 a) En estado AS-CAST, b) de matriz ferrito-perltica (ojo de buey) y c) con tratamiento trmico de austemperado. (7) - Fundicin de grafito compacto (FGC) Es una fundicin relativamente nueva, presenta propiedades intermedias entre la gris y la nodular; el grafito dentro de la matriz se presenta tanto en ndulos como en laminas en forma interconectada. Su resistencia a la traccin vara entre 40 y 85 Ksi y el lmite elstico entre 30 y 60 Ksi con alargamientos entre 1 y 5 %. Las resistencias de las partes de FGC se acercan a las de la fundicin dctil. Estos materiales ofrecen altas conductividades trmicas y su capacidad de absorcin de vibraciones [dampig capacity] es casi tan buena como la de la fundicin gris. La resistencia a la fatiga y ductilidad son similares a las de la fundicin dctil. La maquinabilidad es superior a la de la fundicin dctil, y el rendimiento es alto, ya que la contraccin y las caractersticas de alimentacin son ms efectivas que en la fundicin gris. La combinacin de alta resistencia y alta conductividad trmica, sugieren el uso de FGC en bloques de motores, tambores de frenos, y tubos de unin mltiple de la descarga de vehculos. Engranajes de FGC han reemplazado al aluminio en engranajes de bombas de alta presin, esto debido a la habilidad de la fundicin de mantener su estabilidad dimensional a presiones por encima 1.500 psi. Las figuras 14 a, b y c muestra micrografas de este tipo de fundicin. a) b) c) Figura 14. Micrografas de fundicin de Grafito compacto. a), b) y c) micrografas tomadas con microscopio electrnico de barrido mostrando la verdadera forma tridimensional del grafito laminar interconectado con el grafito esferoidal. (7) - Fundiciones aleadas Las fundiciones aleadas son aquellas que contienen Ni, Cr, Mo, Cu, Al, V y otros elementos en porcentajes tales, que logran mejorar las propiedades mecnicas de las fundiciones ordinarias o logran comunicarle alguna otra propiedad especial, como resistencia al desgaste, a la corrosin, resistencia a altas temperaturas, entre otras. El efecto que producen los elementos aleantes en las fundiciones, es ms complejo de estudiar que en los aceros. Se puede decir que los elementos aleantes modifican la microestructura del material y con ello su dureza y resistencia e incluso su templabilidad, ejerciendo adems una importante y compleja accin sobre la grafitizacin y los puntos crticos. Elementos como Si, Al, Mo, Ni y Co se disuelven en la ferrita, la endurecen y le hacen aumentar su resistencia. Estos elementos por tanto se dice que favorecen la grafitizacin. Elementos como el Cr, Ti, Mo y V son formadores de carburos, estos elementos tienden a formar fundicin blanca en lugar de gris y dificultan la grafitizacin. Es interesante conocer la

accin que tales elementos aleantes ejercen sobre la estabilidad del hierro o sobre el hierro (o ferrita). El Ni, Mn y Cu, aumentan la estabilidad de la austenita, favoreciendo la formacin de una matriz de esta fase. Micrografas de fundiciones aleadas pueden verse en las figuras 15, a, b y c.

a) b) c) Figura 15. Micrografas de fundiciones aleadas. a) Fundicin gris aleada austenizada a 870C, enfriada en aceite. Su matriz es de martensita fina conteniendo adems grafito tipo A, partculas de carburos y pequeas cantidades de austenita retenida. b) Fundicin gris aleada Austenizada a 980C y enfriada en aceite. Su microestructura consta de martensita y formaciones alargadas de austenita retenida (reas blancas). c) Fundicin blanca que muestra un patrn dendrtico de austenita (listones negros) y carburos (blanco). La austenita transforma a martensita durante el servicio abrasivo. (7)

3.5. ALEACIONES NO FERROSAS 3.5.1. Aleaciones de aluminio - Aluminio Puro Comercial Tiene 99,30 a 99,70% de Al. La mayor pureza se utiliza en conductores elctricos. Es blando, dctil, conformable y soldable. Se pueden dar terminaciones superficiales de distintos tipos y tiene buena resistencia a la corrosin. - Principales aleaciones de aluminio - Aleaciones Al - Mn, Serie 3XXX Si se agrega un 1,2% de Mn, lo que corresponde a la serie 3XXX, la matriz de aluminio se endurece por solucin slida y por una fina dispersin de precipitados (Mn, Fe)Al6. La Resistencia ltima a la traccin (U), llega a 6 Kpsi y el % de elongacin es del 20 %. - Aleaciones Al - Mg, Serie 5XXX En general estas aleaciones contienen 1 a 5 % de Mg. Son aptas para ser endurecidas por precipitacin slo para % Mg > 7. La mayor cantidad de Mg queda en solucin slida y sobre 3,5% de Mg precipita Mg2Al3 a baja temperatura. Muchas de estas aleaciones se usan con fines decorativos, ya que poseen buena conformabilidad y soldabilidad, cabe sealar que se sueldan muy bien con arcos protegidos con Argn. - Aleaciones Aluminio - Cobre, Serie 2XXX El cobre es uno de los ms importantes elementos de aleacin del Al, ya que facilita un considerable endurecimiento por solucin slida y tambin por envejecimiento. Algunas aleaciones Al-Cu tpicas son las siguientes: 2011: 5,5% Cu; 0,4% Bi y 0,4% Pb 2025: 4,5% Cu; 0,8% Cu; 0,8% Si; se usa para piezas de forja y productos para aviacin. 2219: 6,3% Cu; 0,3% Mn; 0,06% Ti; 0,1% V; 0,18% Zr; se usa principalmente para piezas para aviacin. En general el porcentaje de Cu es cercano al mximo que puede disolverse en solucin slida a 548C, esta solubilidad baja fuertemente al descender la temperatura hasta la temperatura ambiente, la caracterstica antes mencionada hace posible el endurecimiento por precipitacin o envejecimiento.

- Aleaciones Aluminio-Cu-Mg La adicin de Mg a las aleaciones Al-Cu, acelera e intensifica el endurecimiento por precipitacin, producindose precipitaciones como Al2CuMg y Al2CuMg

- Aleaciones de Aluminio Para Piezas Fundidas Con estas aleaciones se busca fluidez, aptitud para alimentar el molde, resistencia, ductilidad y resistencia a la corrosin. Entre este tipo de aleaciones destacan: - Aleaciones Al-Si Son las aleaciones de ms importancia para piezas fundidas, tienen alta fluidez, por lo que es fcil de alimentar los moldes con ella. Adems el Si no reduce la resistencia a la corrosin del Al puro.

- Aleaciones Al-Mg-Si Se puede aumentar la resistencia mecnica de los anteriores, si se agrega 0,35% de Mg. El Mg produce un cierto envejecimiento por precipitacin. En estas aleaciones hay que 3.5.2. Cobre y sus Aleaciones: - Obtencin y Tipos de Cobre El cobre se obtiene a partir de minerales sulfurados (80%) y de minerales oxidados (20%), los primeros se tratan de pirometalurgia y los segundos de hidrometalurgia. El proceso de tratamiento de sulfuros para obtencin de cobre electroltico se presenta en la figura 16 a y b. Este proceso se lleva a cabo en estanques que contienen una solucin de sulfato de cobre y cido sulfrico, Figuras 16 a y b. Se colocan alternadamente los nodos de cobre y lminas de cobre puro, stas son las lminas iniciales o ctodos iniciales. Al aplicarse corriente elctrica continua, los nodos se disuelven y pasan a la solucin y de all los ctodos iniciales toman iones de cobre engrosndose. As, en un perodo aproximado de 14 das se forman ctodos de cobre con pureza de 99,95% los cuales pesan aproximadamente 135 kg (figura 17). El ctodo es el principal producto comercial y se vende como tal.

Figura 16. Obtencin de cobre electroltico 8.

Figura 17. Barras de Cu obtenidas electrolticamente 8

Los tipos de cobre puros comerciales son los siguientes: - Cobre electroltico Cu-a1, (Cu ETP: Electrolic Tough Pitch). Pureza mnima 99,90% de Cu, 200 a 400 ppm de O. Conductividad elctrica en estado recocido de 100 IACS. - Cobre Trmico, (refinado a fuego), Cu-a2: Cu-FRHC (Fire Refined High Conductivity). Es semejante en composicin y conductividad elctrica al Cu-a1, pero contiene mayor cantidad de impurezas como Se, Te y Pb. - Cobres desoxidados. Pueden ser cobres refinados electrolticamente o trmicamente. La desoxidacin se logra en la fundicin agregando fsforo en forma de fosfuro de cobre. La desoxidacin elimina la fragilizacin en atmsferas reductoras de alta temperatura, teniendo adems, buena soldabilidad. El exceso de fsforo queda disuelto en solucin slida en el cobre, produciendo una fuerte reduccin de la conductividad elctrica. Hay dos tipos de cobre con contenido mnimo de 99,90%, los cuales se nombran a continuacin: - Cobres libres de Oxgeno. Estos se producen a partir de cobre electroltico y se funden en hornos de atmsfera inerte o con desoxidante en cantidades muy controladas. Tienen alta conductividad elctrica, alta deformabilidad e insensibilidad a las atmsferas reductoras. Son caractersticos del cobre libre de oxgeno los siguientes tipos: - Aleaciones de Cobre A continuacin se hablar de cobre con contenidos de aleacin menores a 2,5%. Estas pequeas cantidades de elementos de aleacin mejoran las caractersticas mecnicas o de aptitud para el mecanizado del cobre, sin alterar excesivamente su conductividad elctrica, trmica y su resistencia a la corrosin. - Aleaciones Cobre-Cromo Estas aleaciones contienen 0,5 a 1% de Cr. A 100C se disuelve un 0,37% de Cr en el cobre, al bajar la temperatura baja tambin, fuertemente, la solubilidad del Cr permitiendo as el endurecimiento por precipitacin, esto se realiza mediante un tratamiento de solucin a 1000C, temple y precipitacin a 500C. La aleacin binaria Cu-Cr es susceptible a decohesiones bajo la accin de una tensin aplicada por perodos prolongados entre 80C y 3000C, siendo adems sensible al efecto de entalladura. Las aleaciones de Cobre-Cromo-Circonio (CuCrO, 8ZrO, 15) eliminan el riesgo a la decohesin a alta temperatura que tienen las aleaciones cobre-cromo. Estos dos tipos de aleacin, es decir, las de Cobre-Cromo y las de Cobre-Cromo-Circonio se utilizan cuando se desea alta conductividad elctrica o trmica, asociada a altas resistencias en caliente; es tpico su uso en: electrodos de soldadura por resistencia, barras de colectores, contactores de potencia, equipos siderrgicos y resortes conductores. - Aleaciones de Cobre-Circonio Contienen tpicamente desde un 0,1% a 0,2% de Zr. La resistencia mecnica de esta aleacin se conserva hasta 300C y disminuye levemente hasta llegar a los 500C. Se utiliza cuando se desea alta resistencia mecnica con alta conductividad elctrica. 3.5.3. Latones

El latn es el mejor material para la manufactura de muchos componentes debido a sus caractersticas nicas, como buena resistencia mecnica y alta ductilidad, combinadas con alta resistencia a la corrosin, hacindolo de fcil trabajo en las mquinas y herramientas.

Las propiedades del latn dependen principalmente de la proporcin de zinc que presente, as como la adicin de pequeas cantidades de otros metales esto es conveniente para darle distintos usos. Micrografas tpicas de latones son mostradas en la figura 18.

Figura 18. Microestructuras tpicas de latones comerciales 8.

- Latones al plomo El plomo es prcticamente insoluble en los latones y se separa en forma de finos glbulos, favoreciendo la fragmentacin de las virutas en el mecanizado. Tambin el plomo tiene un efecto de lubricante por su bajo punto de fusin, disminuyendo el desgaste de la herramienta de corte. 3.5.4. Bronces Los bronces son aleaciones de cobre con estao, an cuando se les suele utilizar ms ampliamente para otras aleaciones de cobre. Las aleaciones industriales de bronce tienen en general entre 3 y 20 % de Sn. La fusin del bronce debe ser hecha en un medio reductor para desoxidar antes de la colada, esto se logra mediante el fosfuro de cobre, por lo tanto, todos los bronces retienen un 0,03 a 0,1 % de P. Los bronces tienen buena resistencia a la corrosin en atmsferas industriales y marinas, son resistentes al desgaste y tienen fuerte resistencia mecnica, adems son poco sensibles a la corrosin bajo tensin y al picado, y son excelentes para producir piezas fundidas. 3.5.5. Aleaciones de magnesio La densidad del magnesio es igual a 2/3 la del aluminio y a la del acero. Es el ms ligero de todos los metales de uso comercial, su mayor empleo est en la industria aeronutica. Aunque no tiene gran relacin resistencia a peso, es comparable con las ms resistentes aleaciones de aluminio o de acero. El magnesio no resiste temperaturas elevadas y su punto de fluencia se reduce en forma notable, cuando la temperatura se lleva hasta un valor igual al punto de ebullicin del agua. Tiene un mdulo de elasticidad de 45Gpa a tensin y a compresin. Extraamente ocurre que el trabajo en fro reduce su mdulo de elasticidad. Las aleaciones de Magnesio se utilizan en aplicaciones aeroespaciales, maquinaria de alta velocidad, y equipo de transporte y manejo de materiales - Aleaciones de cobalto-cromo Son utilizadas dos tipos de composiciones Las aleaciones CoCrMo utilizadas frecuentemente en piezas coladas. Es un material usado desde hace muchos aos en restauraciones dentales. Aleaciones empleadas en articulaciones artificiales. Tienen buena resistencia a la corrosin. Las aleaciones CoNiCrMo utilizadas normalmente como piezas forjadas. Empleados especialmente en vstagos de implantes altamente cargados tales caderas y rodillas. Resistencia elevada a la corrosin en medio salino y carga. El trabajado en fro puede incrementar la tenacidad en ms de un 100 %, pero no resulta prctico par el uso en estructura grandes como implantes de cadera. Resistencia al desgaste con el mismo metal y otros materiales pobre. Resistencia a la fatiga y tenacidad mayores al CoCrMo Aleacin buena para componente de vida til prolongada. El cobalto y cromo son los elementos mayoritarios, formando una solucin slida con hasta un 65 % (en peso) de Co. El molibdeno promueve la formacin de granos pequeos. 3.5.7. Titanio y aleaciones de titanio El titanio es un elemento metlico blanco plateado que se usa principalmente para preparar aleaciones ligeras y fuertes. - Propiedades y estado natural El titanio slo es soluble en cido fluorhdrico y en cidos en caliente como el sulfrico; en cido ntrico no es soluble ni en caliente. El metal es extremadamente frgil en fro, pero es muy maleable y dctil al rojo. Para obtener el xido de titanio se tritura el mineral y se mezcla con carbonato de potasio y cido fluorhdrico produciendo fluorotitanato de potasio (K2TiF6). ste se destila con agua caliente y se descompone con amonaco. As se obtiene el xido hidratado amoniacal, que se inflama en un recipiente de platino produciendo dixido de titanio (TiO2). Para obtener el titanio en forma pura, se trata el xido con cloro, con lo que se obtiene tetracloruro de titanio, un lquido voltil; despus se reduce ese lquido con magnesio en una cmara de hierro cerrada para producir titanio metlico. Por ltimo se funde el metal y se moldea en lingotes.

- Aplicaciones de las aleaciones de titanio Debido a su alta resistencia y su peso ligero, el titanio se usa en aleaciones metlicas y como sustituto del aluminio. Aleado con aluminio y vanadio, se utiliza en la aviacin para fabricar las puertas de incendios, la capa exterior, los componentes del tren de aterrizaje, el entubado hidrulico y las protecciones del motor. Los labes del compresor, los discos y los revestimientos de los motores a reaccin tambin estn hechos de titanio. Un avin a reaccin de transporte utiliza entre 318 y 1.134 kg del metal, y un avin supersnico, que vuela a velocidades entre los 2.410 y los 3.220 km/h, utiliza entre 14 y 45 toneladas. El titanio se usa ampliamente en misiles y cpsulas espaciales; las cpsulas Mercurio, Gemini y Apolo fueron construidas casi totalmente con titanio. Otras aleaciones comunes de titanio son: el ferrocarbono titanio, que se obtiene reduciendo la ilmenita con coque en un horno elctrico; el cuprotitanio, que se produce por la reduccin de rutilo al que se ha aadido cobre, y el manganotitanio, que se obtiene reduciendo el rutilo al que se ha aadido manganeso u xidos de manganeso. La relativa inercia del titanio le hace eficaz como sustituto de los huesos y cartlagos en ciruga, as como para las tuberas y tanques que se utilizan en la elaboracin de los alimentos. Se usa en los intercambiadores de calor de las plantas de desalinizacin debido a su capacidad para soportar la corrosin del agua salada. En metalurgia, las aleaciones de titanio se usan como desoxidantes y desnitrogenantes para eliminar el oxgeno y el nitrgeno de los metales fundidos. El dixido de titanio (conocido como titanio blanco), es un pigmento blanco y brillante que se utiliza en pinturas, lacas, plsticos, papel, tejidos y caucho. 3.5.8. Aleaciones de nquel-titanio Materiales que exhiben la propiedad conocida como efecto de memoria de forma (EMF). Efecto se manifiesta cuando la aleacin, sometida a una deformacin plstica, recupera su forma original cuando es calentada. Estas aleaciones son empleadas para construir arcos de alambre de ortodoncia, clips para aneurismas intracraneales, msculos artificiales contrables para un corazn artificial e implantes ortopdicos. El diseo de esas piezas requiere del conocimiento preciso de las propiedades termomecnicas de las aleaciones de Ni-Ti. Son materiales que tienen mdulos de elasticidad bajos (aprox. 30 GPa) pero alta tenacidad 3.5.9. Aleaciones para restauraciones dentales Amalgamas Aleaciones formadas con mercurio. El mercurio mezclado con plata y estao forma un material de consistencia plstica a temperatura ambiente, que endurece con el transcurrir del tiempo. La aleacin slida est compuesta por: 65 % plata (mnimo), 29 % de estao, 2 % de zinc, 3 % de mercurio (mximo). Ese material al combinarse con mercurio forma la amalgama compuesta por: 45 - 55 % mercurio. 35 - 45 % plata. 15 % estao. La tenacidad del material crece con el tiempo. El 25 % de la tenacidad final se alcanza al cabo de 1 hora. El 100 % de la tenacidad final se obtiene tras un da. 3.5.10. Aleaciones de oro Materiales estables y resistentes a la corrosin. Son usados en rellenos dentales por medio de: - Colado Impresin de cera tomada de la cavidad dental y usada para construir la restauracin. El cobre y platino aleados mejora su tenacidad. La concentracin elevada de oro disminuye la tenacidad del material restringiendo su uso a zonas libres de tensiones. La aleacin con baja concentracin de oro es empleada en coronas y otras zonas sometidas a tensiones elevadas. - Martillado Lminas de oro son aplicadas en capas y soldadas juntas empleando presin a temperatura ambiente. El oro puro es muy dctil y solo puede ser usada en zonas libres de tensiones. 3.5.11. Otras Aleaciones - Tantalio

Metal biocompatible. La baja relacin tenacidad-densidad restringe su uso slo como alambres de suturas. - Platino y otros metales nobles Materiales resistentes a la corrosin y de propiedades mecnicas pobres. Estos metales son empleados en aleaciones frecuentemente destinadas a fabricar electrodos de marcapasos. 3.6. MATERIALES NO METLICOS. 3.6.1. Materiales polimricos (plsticos) El nombre polmero no se refiere a un nico material. As como la palabra metal no se refiere apenas al hierro o al aluminio, la palabra polmero se usa para definir diversos materiales con estructura, cualidad y composicin diferentes. Las cualidades de los plsticos son tan variadas que frecuentemente sustituyen materiales tradicionales como la madera e incluso algunos metales. Los polmeros son materiales artificiales derivados de la qumica orgnica, llamados comnmente plsticos (o el cuarto reino). Estos materiales se distinguen entre s por su estructura, propiedades y composicin. Los polmeros estn conformados por molculas de cadena larga, formada por muchas unidades llamadas monmeros o meros, los cuales se unen entre s qumicamente por medio de enlaces covalentes. Sin embargo, un polmero comnmente comparte los tipos de enlaces covalente y inico. 3.6.1.1. Sectores industriales en los que participan los plsticos y tipos de piezas El siglo 20 se ha denominado el siglo del plstico debido al adelanto que tom este material, el cual logr cambiar en gran medida el comportamiento humano. Las aplicaciones tcnicas son incalculables, veamos algunas de esas aplicaciones y su campo de accin. - Industria automovilstica Guardabarros, engranajes, levas, cojinetes, ejes, parachoques, limpia brisas, consola, rines, cojinera, neumticos, llantas, luces, etc; aproximadamente 1.700 son de plstico. - En el sector del transporte y las telecomunicaciones Partes de aviones, barcos, globos, vehculos, bicicletas, telfonos, antenas parablicas, cmaras, e incluso nuevas redes de cable. - En el sector de la alimentacin Los pases desarrollados envasan actualmente el 50% de los alimentos en materiales plsticos. Este hecho permite que tan slo un 2% de los productos se estropeen antes de llegar al consumidor final. - En el sector pesquero redes de pesca y en los diferentes accesorios que conforman este sector. - En el sector agrcola Cubiertas con el fin de proteger cultivos agrcolas de agentes externos. - En el sector domstico Muebles, lmparas, implementos de cocina, implementos de aseo, artculos de tocador, zapatos, maletines, juguetera, etc, son ejemplos de productos fabricados en material plstico. - En el sector de la construccin El plstico es un material imprescindible en la construccin de fbricas, oficinas, estaciones de ferrocarril, hospitales, museos, teatros, servicios de bomberos, estacionamientos, edificios, parques pblicos, etc. - En la fotografa Pelculas, cmaras, proyectores, marcos, etc, son ejemplos de productos fabricados en material plstico. - Embalaje Bolsas, Botellas, tapas, etc. En la actualidad prcticamente todo producto es envasado en material plstico para esta industria. - En la Industria textil Telas, hilos, botones, fibras, partes de maquinara textil, etc. - En la Industria elctrica Revestimiento de cables, rels, protectores, carcazas de electrodomsticos, radios, aparatos de medicin, telfonos, etc. 3.6.1.1. Ventajas y desventajas de los materiales plsticos frente a los metales - Ventajas Poco peso. Elaboracin rpida y sencilla. Alta resistencia a la corrosin y a los agentes qumicos.

Buenas propiedades elctricas. Excelentes caractersticas superficiales. Alta absorcin de vibraciones. Produccin rentable. - Desventajas Baja resistencia mecnica. Baja resistencia al calor. Baja resistencia a la degradacin, No es reparable. Alto costo de la materia prima. 3.6.1.5. Materias primas de los plsticos Las principales materias primas son sustancias naturales como: el petrleo, el gas natural, el carbn mineral, la celulosa, el rbol de caucho, etc. Las molculas de estas sustancias generalmente contienen carbono (C) e hidrgeno (H) y muchas veces contienen nitrgeno (N), oxigeno (O), azufre (S), etc. Para fabricar plsticos directamente del petrleo, se deben realizar diversos procesos qumicos (reacciones qumicas) intermedias. Estos procesos se inician en las refineras, donde por destilacin (separacin de lquidos) del petrleo, se obtienen diversos productos como: gasolina, aceite, diesel, alquitrn, carburantes, etc. Estos productos se obtienen aprovechando los puntos de ebullicin de los diferentes componentes. 3.6.1.6. Proceso de polimerizacin - Definicin La polimerizacin se puede definir, como el conjunto de reacciones qumicas por medio de las cuales, un grupo de molculas (denominadas monmeros), se van uniendo qumicamente en forma progresiva para formar largas cadenas polimricas. En la figura 19 se esquematiza el proceso de polimerizacin para el polietileno a partir de su monmero etileno.

Figura 19. Proceso de polimerizacin para el polietileno. [9]

La polimerizacin es entonces un proceso continuo, mediante en cual una molcula enlaza a otra y se une a ella qumicamente. Este proceso se puede resumir de acuerdo al siguiente esquema Monmeros Polimerizacin de Meros Encadenamiento Polmero En el proceso de polimerizacin ocurre el rompimiento de los enlaces dobles o triples de carbono de algunas molculas que los contienen agregando elementos o grupos radicales (grupos elementales altamente reactivos). El electrn que no fue enlazado por el grupo radical y que an est libre en una molcula, puede escindir a la vez un doble enlace de otra molcula. El doble o triple enlace existente entre dos tomos de carbono es por tanto muy importante en el proceso de polimerizacin. 3.6.1.7. Clasificacin de los plsticos Los plsticos se dividen en tres grandes grupos, los termoplsticos, los termoestables (o termofijos) y los elastmeros (o cauchos). Cada grupo se clasifican de acuerdo a su estructura molecular y al tipo de mecanismo de enlace de las molculas

(lineal o ramificado). La figura 20 muestra una de las clasificaciones de los plsticos de acuerdo al estado de sus macromolculas.

Figura 20. Clasificacin de los materiales plsticos. [10]

- Plsticos termoplsticos Estos materiales para ser conformados requieren de aplicacin previa de calor al enfriamiento, donde se obtiene la forma definitiva. Una caracterstica importante de estos materiales, es que pueden ser reformados varias veces sin sufrir cambios significativos en sus propiedades. La plasticidad a alta temperatura se debe a la capacidad que tienen las molculas para deslizarse unas con respecto a las otras. Se puede decir que en comparacin con los metales, los termoplsticos ganan ductilidad a altas temperaturas. La plasticidad de estos polmeros a altas temperaturas, se debe a la linealidad de las cadenas moleculares que conforman este tipo de materiales. Los enlaces secundarios que unen las cadenas adyacentes se rompen a altas temperaturas, facilitando el deslizamiento de estas. De cierta forma estos polmeros son semejantes a los metales, pues ambos ganan ductilidad a elevadas temperaturas y la pierden a temperaturas bajas, sin embargo, es importante aclarar que los rangos de temperatura a los que se presentan dichos comportamientos plsticos son muy diferentes, en los polmeros termoplsticos (alrededor de 100C) y en los metales (cerca a 1000C). - Clasificacin de los polmeros termoplsticos -Termoplsticos amorfos (amorfo = desordenado) Estos materiales son transparentes en estado natural, no coloreados y se les conoce como cristales sintticos u orgnicos. Cuando estos materiales son enfriados, se produce un decrecimiento paulatino en su volumen especfico (volumen por unidad de masa), a medida que la temperatura se reduce. Los termoplsticos amorfos presentan cadenas lineales y fuertemente ramificadas, careciendo de todo orden estructural. - Termoplsticos parcialmente cristalinos Estos materiales no presentan estados transparentes y debido a la dispersin de la luz en las fronteras entre regiones amorfas y cristalinas, son de aspecto lechoso o turbio. Cuando determinadas regiones de las cadenas se ordenan y disponen en forma compacta, unas al lado de las otras, (es decir, hay un elevado grado de ordenacin dentro de la molcula), se llamarn regiones cristalinas; pero nunca se produce una cristalizacin perfecta o completa, ya que la longitud de la cadena lo impide, por tanto, siempre quedan unas regiones desordenadas (amorfas). Los termoplsticos pueden fundirse varias veces y son solubles o al menos hinchables al contacto con ciertos disolventes. A temperatura ambiente, pueden ser blandos o hasta duros y frgiles, pasando por duros y tenaces. - Plsticos termoestables

Debido a su estructura molecular reticular, estos materiales presentan mejores caractersticas mecnicas y trmicas con respecto a los termoplsticos. Los termoestables son materiales que despus de endurecidos, permanecen rgidos al aumentar la temperatura, por tanto, pueden ser utilizados a temperaturas ms altas. La importancia de utilizar rellenos fibrosos o refuerzos en estos materiales, da origen a muy diversos materiales, cada uno con propiedades y caractersticas especiales. Las variables a tener en cuenta para el conocimiento del comportamiento mecnico y la estabilidad dimensional de los materiales termoestables, son: - Variacin de la temperatura de trabajo y absorcin de agua. - Duracin de aplicacin de la carga esttica y el consiguiente fenmeno de viscoelasticidad. - Esfuerzos dinmicos de alta duracin como flexin alternada, que generan fallas por fatiga. - Envejecimiento causado por la intemperie y agentes qumicos. Tales variables no deben considerarse negativas, sino una fuente de informacin til al disear elementos de mquinas con estos materiales. Las cargas admisibles en un clculo de resistencia deben reducirse segn el grado de seguridad que se considere, esta disminucin debe estar entre 1/5 y 1/10 de veces la resistencia a la fluencia del material. - Elastmeros (hules naturales y sintticos) Los elastmeros son materiales complejos que difieren considerablemente de otros materiales de ingeniera. Esta clase inusual de materiales, requiere su propio y elaborado trabajo de procedimientos de chequeo. Los elastmeros tienen la capacidad de soportar altas deformaciones elsticas y recuperar su forma original. En ausencia de esfuerzos, los elastmeros son amorfos y estn compuestos por cadenas moleculares muy torsionadas, dobladas y plegadas. Cuando son sometidos a esfuerzos de traccin, las cadenas sufren enderezamiento en la direccin del esfuerzo. Al retirar tal esfuerzo, las cadenas vuelven a su forma original. - Tipos de cauchos - Caucho natural Este material es extrado del ltex del caucho natural. El ltex es una materia lechosa que posee este rbol, la cual posee partculas muy pequeas de caucho. El latex es diluido y pasado por rodillos para eliminar el contenido de agua y de esta forma extraer el caucho. - Cauchos sintticos Los cauchos sintticos aparecen a principios de la dcada del 80 y ahora proporcionan el 70% de todo el caucho mundial. Entre los principales cauchos sintticos estn el caucho de Estireno Butadieno, caucho de Nitrilo, cauchos de Silicona y caucho de Policloropreno. - Vulcanizado de Hules El vulcanizado es un proceso qumico por medio del cual, una molcula de polmero se une a otra con enlaces cruzados, para dar molculas ms voluminosas que restringen el movimiento molecular. Este proceso fue patentado por Good Year en 1939 y a quien se debe el conocimiento del extraordinario comportamiento elstico del compuesto azufre caucho, cuando es calentado a una temperatura adecuada. El proceso de vulcanizado es tambin llamado de reticulado, ya que el azufre o cualquier perxido, facilita las uniones tridimensionales transversales a travs de la molcula lineal de Hule haciendo que los materiales vulcanizados sean ms resistentes al desgaste. 3.6.1.8. Aditivos para polmeros Los aditivos para polmeros son sustancias orgnicas o inorgnicas que se adicionan a estos, con el fin de mejorar propiedades o conferir otras. Entre los materiales aditivos orgnicos estn: polvo de madera, fibra de algodn, tela de algodn y fibra de nylon; y dentro de los aditivos inorgnicos, se encuentran la fibra de vidrio, el polvo de mica, la fibra de asbesto y otros. Los aditivos para polmeros de acuerdo a su efecto, se pueden clasificar como: Pigmentos o colorantes, estabilizadores, plastificantes, rellenos, retardantes de la combustin o flama, agentes antiestticos, agentes espumantes, lubricantes, refuerzos 3.6.1.9. Posibilidades y lmites de reciclaje de materiales plsticos

Los plsticos fueron conocidos hace apenas 100 aos, siendo uno de los ms jvenes materiales de fabricacin. Un 65% de estos materiales se utilizan en aplicaciones duraderas y solo un 20% son de uso temporal (empaques) que van a parar a la basura. Gracias a sus excelentes propiedades qumicas y fsicas, se ha incrementado el uso de embalajes para la industria alimenticia, adems por que presentan propiedades como: bajo peso, transparencia, resistencia mecnica, resistencia al calor y al fro, moderado costo de la materia prima, bajo costo de fabricacin entre otras. La figura 21 muestra porcentajes aproximados, en los que los plsticos son utilizados en las diferentes industrias.

Figura 21. Productos de plstico por rea de aplicacin (datos de 1984). [11]

Los tipos de plsticos que normalmente se encuentran en la basura son bolsas y botellas de polietileno en porcentajes entre el 40 y 50%, en relacin con otro tipo de plsticos que tambin se encuentran all. Otro tipo que regularmente va a la basura es el poliestirol, polmero que va en presentaciones desde transparente hasta opaco: este material es duro, frgil y se utiliza en empaques para yogurt, queso, etc. El PVC en sus normas dura y blanda como material multiuso, est en menor cantidad, ya que puede ser reciclable en un 100%. Otros plsticos que normalmente se encuentran en la basura son: poliamidas, polisteres, poliacetales, poliacrilatos, resinas fenlicas y aminoplsticos. Se ha encontrado que una tonelada de basura plstica contiene de 50.000 a 80.000 artculos plsticos diferentes, pasando por vasos, cajas, frascos, tapas, bolsas, espumas, etc. El problema de las basuras de plstico se debe bsicamente a cuatro factores: Gran volumen, poca biodegradabilidad, desprende materiales txicos y poca capacidad de reciclaje. Sin embargo, es comn en los ltimos aos hablar de reduccin y reaprovechamiento. Con estos procesos, todos los problemas ocasionados por las basuras pasaran a un segundo plano, si fuera posible reducir o reaprovechar mejor los residuos plsticos. - Reciclado de materiales plsticos El reciclado de muchos materiales plsticos siempre es posible, ya que siempre se producen artculos defectuosos y siempre quedan residuos. Estos residuos son molidos, evitando que se ensucien, y a los cuales se puede o no aadir material nuevo y otras sustancias dependiendo de la calidad exigida. La fusin de residuos mezclados, solo sirve para la fabricacin de piezas de grandes espesores como: placas, plataformas, portabicicletas, soportes, donde son ms importante las propiedades que la pureza del material. En el campo de los artculos de corta vida (empaques por ejemplo), los plsticos son una materia prima muy importante y abundante, por esto se hace necesario el reciclaje de estos materiales, los cuales adems deben estar muy limpios. Como en la basura aparece cerca del 65% de artculos en polietileno, vale la pena separarlo de los otros materiales plsticos y procesarlo. - Perspectivas Los desechos con muchas impurezas son hoy en da difciles de separar, pues hay sustancias que se adhieren a ellos y que son casi imposibles de retirar. Las basuras domsticas son las ms difciles de limpiar. La gran diversidad de artculos de empaques y su poco peso son otro obstculo para que su reciclaje sea rentable. La tecnologa y la necesidad de proteger el medio ambiente se encargarn de encontrar mtodos efectivos y rentables para reciclar buena parte de basuras domsticas. Al igual que el papel, los plsticos tienen la ventaja de que la parte que no sea reciclable, puede ser utilizada como fuente de generacin energa calrica, por el gran poder calorfico que posee, que es

parecida a la del aceite combustible. Solo se debe tener cuidado con la gran cantidad de sustancias txicas que se desprenden durante su quema. 3.7. MATERIALES CERMICOS 3.7.1. Introduccin Los cermicos son materiales inorgnicos, no metlicos, constituidos por metales y no metales, enlazados por unin preferencialmente inica y otra parte por unin covalente. Pueden ser compuestos sencillos o complejos. Histricamente, los cermicos son los materiales ms antiguos de la naturaleza, pues fueron los primeros que el hombre comenz a usar. Gracias a la tecnologa moderna, avances en varios campos de la ingeniera, les ha permitido un desarrollado importante, sobre todo en la industria aerospacial y en la electrnica. Las propiedades de los cermicos varan de acuerdo al porcentaje de enlace covalente presente, pero en general son duros y frgiles, de baja tenacidad y baja ductilidad. Son buenos aislantes elctricos y trmicos debido a que no poseen electrones conductores. Sus fuertes enlaces hacen que sus temperaturas de fusin sean altas, por esta razn son indispensables para muchos de los diseos de ingeniera. 3.7.2. Generalidades sobre las materias primas de los cermicos Los cermicos renen a todos los materiales slidos inorgnicos que no son metales, pudiendo ser cristalinos como el cuarzo o amorfos como el vidrio. La tabla 7 presenta las principales familias en las que pueden ser agrupados los deferentes materiales cermicos. La corteza terrestre est constituida en un 99% de rocas silito-aluminosas, las cuales constituyen la reserva de los materiales cermicos tradicionales. Tabla 7. Las familias cermicas. [12] Silicatos y vidrios Frmula qumica xidos Al2 O3 , MgO, UO2 , ZrO2 Ferritas y titanatos Carburos SiC, B4 C, WC, UC Nitruros Si3N4, BN, Si-MONs Boruros ZrB2, TiB2, SiBe Siliciuros MoSi2 Fluoruros CaF2 , BaF2 , MgF2 Carbono y grafito Actualmente la definicin de cermica tiene en cuenta no solamente la composicin del material, sino tambin la tcnica utilizada en su fabricacin. Se considera como producto cermico a todo objeto obtenido por compactacin de un polvo cermico a la forma adecuada y a la consolidacin por cocimiento o calcinacin a temperatura elevada. 3.7.3. Principales materias primas de los cermicos El principal elemento componente de una materia prima para la conformacin de piezas cermicas es la arcilla, aunque en general las diferentes materias primas estn compuestas por muchos materiales a la vez. Sin embargo, con solo arcilla es posible fabricar ladrillos, tejas, alfarera, entre otros muchos objetos. En la produccin de productos ms avanzados como la loza blanca o porcelana, es necesario utilizar otros minerales como feldespato y cuarzo. En el caso de las porcelanas, se necesitar bauxita o refractarios como la andalucita, cianita, sillimanita, sustancias aluminosas, pirofilita, circn, fluorita, etc. Las principales materias primas usadas en la conformacin de piezas cermicas. - Arcillas La arcilla es un material natural, formado principalmente por partculas de tamao menores que 1/256 mm de dimetro, de carcter granular; no consolidado, con aspecto terroso, constituido por un grupo de sustancias cristalinas, conocidas como minerales arcillosos, adems de fragmentos de rocas y otros minerales. La arcilla es definida por la ASTM, como un material plstico cuando est hmedo, rgido cuando se seca y vitrificado cuando es quemado a una temperatura suficientemente alta. Generalmente la arcilla est constituida por silicatos alumnicos o magnsicos hidratados, pudiendo contener elementos qumicos como hierro, potasio, sodio, calcio y hasta titanio.

Las propiedades ms importantes de las arcillas son su color, plasticidad, resistencia transversal, contraccin, fluidez, impermeabilidad e infusibilidad. Las arcillas son el principal material ligante cermico. Se emplea en la fabricacin de loza, porcelana sanitaria, refractarios, alfarera, etc. - Feldespatos Trmino usado para designar un grupo de minerales que son aluminosilicatos anhdridos de sodio, potasio y calcio y algunas veces de bario. Es el mineral ms abundante en la naturaleza, pues constituye el 60% de las rocas gneas (rocas superficiales a partir de las cuales se pueden originar otras rocas como las sedimentarias y metamrficas), estas a la vez constituyen el 90% de las rocas existentes en la corteza terrestre. Los feldespatos se presentan como masas compactas o granulares, su dureza es aproximadamente 6 en la escala de Mohs y su peso especfico vara entre 2.54 y 2.76, su color y brillo son muy semejantes, siendo de color claro y brillo vtreo a perlado. En las mezclas cermicas usuales, el feldespato se utiliza porque funde a menor temperatura que los otros minerales, por lo que acta como pegante del resto de los materiales. Adems de actuar como fundente, tambin es fuente de almina (Al2O3). El contenido de aluminio en el feldespato imparte resistencia a la cermica. - Slice La slice como tal no es un mineral, es una sustancia qumica que se presenta en la naturaleza como varios minerales diferentes, el ms conocido es el cuarzo. Tambin conocida como arenas o gravas de slice. El cuarzo le da al ladrillo resistencia bsica y durabilidad. En piezas cermicas, la arena silcea sirve para proveer blancura, reducir las contracciones en el secado y en la coccin, y para dar compatibilidad entre el soporte y el esmalte para prevenir el cuarteo o el estirado. Presenta una alta resistencia al ataque qumico. Otras caractersticas de la slice son: - En crudo, disminuye la plasticidad y la trabajabilidad de la cermica. - Debido a su alto punto de fusin (1730C), frena la accin fundente de los feldespatos. - La slice se incorpora en formulaciones en la cermica hasta un 40% de la pasta. La slice tiene gran utilidad en la cermica avanzada, pues, es materia prima del carburo y nitruro de silicio, que son polvos sintticos utilizados es este tipo de material. - Almina La almina como tal, no es un mineral, si no una sustancia qumica Al2O3, que tiene diferentes modos de cristalizacin y que puede ser natural o sinttica. En la naturaleza hay un mineral con dicha composicin qumica; el corindn, el cual cristaliza en el sistema hexagonal y por sus caractersticas fsicas se utiliza como abrasivo. La almina puede estar contenida en rocas, entre la cuales la ms importante es la bauxita. La bauxita no es un mineral, sino una mezcla coloidal de varios minerales, todos ellos xidos de aluminio hidratados y por ello su composicin qumica es muy variable. En la industria cermica, la bauxita es importante porque de ella se extrae la almina, empleada como refractario y en la produccin de abrasivos artificiales. La almina, Al2O3, es aislante trmico a alta temperatura, posee buena resistencia al desgaste y elevada dureza. 3.7.4. Clasificacin de las materias primas cermicas De acuerdo con las caractersticas observadas en cada uno de los principales grupos de materiales cermicos expuestos hasta aqu, cada uno de ellos tiene una accin dentro del proceso de conformado de piezas cermicas. Cada una de estas acciones lleva, a que las materias primas cermicas sean clasificadas como inertes, plsticas o fundentes. - Inertes Cuya base es la slice (SiO2), - Plsticas Son materiales que dan a la cermica cierto grado de plasticidad. - Fundentes Controlan la vitrificacin mediante la formacin de la fase lquida

En resumen, las materias primas de los cermicos son en general: slice, arcillas, feldespatos, xidos y otros materiales inorgnicos. 3.7.5. CLASIFICACIN DE LOS MATERIALES CERMICOS De acuerdo al tipo de materia prima utilizada, al proceso de conformacin y a la aplicacin, los materiales cermicos pueden ser divididos en dos grandes grupos; cermicos tradicionales y cermicos de ingeniera. . Cermicos tradicionales Son constituidos bsicamente por slice, arcillas y feldespatos. Ejemplos de estas cermicas son ladrillos, pisos, baldosas y tejas en la industria de la construccin, porcelanas elctricas en la industria electrnica, entre muchas otras aplicaciones. Para su construccin se utilizan mtodos artesanales y las piezas obtenidas son porosas, coloreadas y quemadas a bajas temperaturas. En general, una cermica tradicional utiliza arcilla como componente significativo, que es el que otorga plasticidad antes de la coccin, cuarzo como elemento refractario por su alta temperatura de fusin y el feldespato, que por su baja temperatura de fusin proporciona la fase vtrea ligante. - Cermicas avanzadas o de ingeniera Este tipo de materiales conforma un grupo denominado cermicas funcionales, las cuales presentan importantes propiedades magnticas, pticas, elctricas, biolgicas o qumicas. Son tiles en la construccin de piezas de alta ingeniera. Estructuralmente poseen buenas propiedades mecnicas y trmicas. Aptas para la construccin de equipo y maquinaria, permitiendo el desarrollo de nueva tecnologa, la cual presenta limitaciones por las caractersticas de los materiales existentes. Como caractersticas especiales de las cermicas de ingeniera se encuentran, la alta pureza de las materias primas y la alta tecnologa de fabricacin que le confieren a la pieza terminada excelentes propiedades como: dureza, tenacidad, alta densidad, resistencia a la abrasin, resistencia a la corrosin, termoresistencia, estabilidad dimensional y caractersticas elctricas especiales. Entre las materias primas que cumplen estas exigencias estn: la almina, la slice, la mullita, los xidos de berilio, circonio, torio, titanio y molibdeno. Con 99.9% de pureza, las cermicas de ingeniera son obtenidas generalmente por procesos de snterizacin de polvos cermicos. La ASTM ha definido las cermicas avanzadas como aquel Objeto cermico (inorgnico) de alta ingeniera y gran desempeo, predominantemente no metlico, con elevado valor agregado y con atributos funcionales nicos o superiores. Las cermicas avanzadas se pueden clasificar en dos grandes grupos; las Estructurales y las Funcionales, estas ltimas pueden ser electrnicas (aislantes o dielctricos, piezoelctricos, conductores y semiconductores y superconductores), magnticas u pticas. . Cermicas Estructurales Son aquellas piezas cermicas que se usan o tienen la potencialidad de usarse en aplicaciones estructurales exigentes, particularmente a temperatura elevada. Estos cermicas se caracterizan por su baja densidad, alta dureza, elevado punto de fusin, inercia qumica, baja conductividad trmica y baja expansin trmica: Pueden estar hechas de xidos o no xidos y pueden ser monolticas o compuestos basados en matrices cermicas. As que, por sus propiedades mecnicas y trmicas, llenan requerimientos especiales para la construccin de equipos y maquinaria de alta tecnologa. Los usos de mayor importancia se presentan en sistemas estructurales y de carga. Para ello se necesita que los materiales posean alta resistencia a la traccin, a las altas temperaturas, a la deformacin, a la corrosin y a la oxidacin. Estas propiedades, que en este tipo de piezas deben estar por encima de los materiales corrientes. Dentro de las aplicaciones de las cermicas estructurales estn: Intercambiadores de calor, componentes de motores para autos, componentes de generadores de potencia, herramientas de corte e implantes biomdicos. Materiales que cumplen funciones para aplicaciones a altas temperaturas son: nitruro de silicio (Si3N4), nitruro de aluminiosilicato (sialon), carburo de silicio (SiC), circonita (Zr2SiO4), alumina (Al2O3), y mullita (3Al2O3.2SiO2). - Cermicas funcionales El mundo de las cermicas funcionales con sus propiedades magnticas, elctricas, pticas, biolgicas o qumicas, cumple con varias funciones del quehacer humano. Este grupo de materiales puede ser clasificado en: - Cermicas electrnicas La industria electrnica se apoya en materiales cermicos avanzados como: Al2O3 (xido de aluminio), TiO2 (xido de titanio), BeO (xido de berilio). Estos xidos son utilizados como substratos (en forma de pastillas); el titanato de bario (BaTiO3), para capacitores; titanio y circonato de Pb, niobato de magnesio y plomo y niobato de titanio, magnesio y plomo

para accionadores y transductores; NiO y FeO, para censores de temperatura. A su vez, las cermicas electrnicas pueden ser clasificadas como aislantes elctricos, piezo elctricos, conductores y semiconductores y superconductores. - Propiedades mecnicas En general, los cermicos son materiales frgiles, su resistencia a la traccin vara en amplios intervalos, los cuales van desde 100 psi (0.69 MPa), hasta 106 psi (7 x 103 MPa), estos ltimos valores encontrados en cermicos de Almina Al2O3 preparados cuidadosamente. Pero en general pocos cermicos alcanzan los 25ksi. La resistencia a la compresin es en general