Materiales Compuestos

Cermets

Cermets: Material compuesto formado por materiales cerámicos y metales para combinar la resistencia a altas temperaturas y a la abrasión de los cerámicos con la maleabilidad de los metales.

Material Compuesto

Material compuesto: Unión de dos materiales para dar una combinación de propiedades que no puede ser obtenida en los materiales originales.

Fases que forman el compuesto:

• Matriz
• Dispersa

Clasificación de los compuestos:

• Con partículas
  • Endurecidos por dispersión
  • Particulados propiamente dichos
• Reforzados con fibras
• Laminar

Endurecidos por partículas

• Endurecidos por dispersión: Tamaño de partícula muy pequeño, pequeñas cantidades de partículas dispersas que obstaculizan el desplazamiento.
• Particulados propiamente dichos: Tamaño de partícula grueso, grandes cantidades de partículas dispersas que no obstaculizan el deslizamiento.

Compuesto por fibras

Mejoran la resistencia al esfuerzo, a la fatiga, la rigidez y la relación resistencia-peso, a través de la introducción de fibras fuertes, rígidas y frágiles dentro de una matriz más blanda y dúctil. El material de la matriz transmite la fuerza a las fibras y proporciona ductilidad y tenacidad, mientras que las fibras soportan la mayor parte de la fuerza aplicada. (A temperatura ambiente como a temperaturas elevadas).

Tipos de compuestos por fibras:

• Fibras continuas unidireccionales
• Fibras discontinuas orientadas al azar
• Fibras ortogonales
• Fibras en capas múltiples

Factores a tener en cuenta:

• Relación longitud/diámetro
• Fabricación volumétrica de fibras
• Orientación de las fibras
• Propiedades de las fibras
• Propiedades de la matriz

Métodos para obtener fibras:

• Por laminación
• Por descomposición
• Por carbonización

Métodos para obtener materiales compuestos por fibras:

• Colado o moldeo
• Preformas
• Cintas
• Unión o soldadura por deformación y por difusión
• Metalurgia de polvos

Ejemplos de sistemas reforzados con fibras:

• Hormigón armado
• Nylon, Kevlar

Compuesto laminar

Compuestos diseñados para mejorar la resistencia a la corrosión mientras se mantiene un bajo costo, una alta resistencia y poco peso. Superior resistencia al desgaste y a la abrasión, una mejor apariencia.

Recubrimiento duro

Depositar capas superficiales duras, resistentes al desgaste sobre materiales más suaves y dúctiles mediante soldadura.

Bimetal

Los diferentes coeficientes de dilatación térmica de dos metales en un compuesto laminar. Si se calientan dos piezas de metal, el metal con mayor coeficiente de dilatación se alarga más, de modo que si las dos tiras están rígidamente unidas la diferencia entre sus coeficientes provoca que en el elemento bimetálico se produzca una curvatura.

Características:

• Coeficiente de dilatación diferentes
• Características reversibles y repetibles de expansión
• Alto módulo de elasticidad

Material emparedado

Compuestos que tienen capas delgadas de un material unidas a un material ligero de relleno. Ni el relleno, ni el material son fuertes o rígidas, pero el compuesto sí lo es.

Desgaste

Deterioro no intencionado resultante del empleo o del ambiente y puede considerarse especialmente como un fenómeno de superficie.

Tipos de desgaste:

• Contacto con otro metal (adhesivo metálico)
• Contacto con un abrasivo metálico o no metálico (abrasivo o abrasión)
• Por líquidos o gases en movimiento (erosión)

Factores que influyen en el desgaste:

• Lubricación
• Efecto del calor
• Soldadura
• Impacto
• Falla por fatiga

Lubricación límite

La condición de contacto metálico intermitente que ocurre cuando la película de aceite no puede mantenerse continuamente.

Métodos de protección contra el desgaste:

• Electrodeposición
• Anodinado
• Rociado metálico
• Revestimiento duro
• Tratamiento térmico selectivo
• Difusión

Anodizado de magnesio

Produce una superficie dura y resistente al desgaste que se utiliza como base para adherencia de pinturas.

Pasos a seguir anodizado de aluminio:

• Preparación de la superficie: Limpiar superficie de grasa y óxidos.
• Oxidación anódica: producir una capa de óxido sobre la superficie metálica.
• Coloreado: como la capa obtenida es porosa permite absorber ciertos colorantes orgánicos disueltos en agua. Inmersión de la pieza oxidada en una disolución que contiene un colorante en condiciones controladas de PH concentración y temperatura.
• Sellado

Sellado

Sumergir el material ya coloreado en agua hirviendo con esto se reduce la porosidad, estabiliza colorantes y mejora resistencia a la corrosión.

Métodos a cubiertas rociadas:

• El metalizado
• El arco de plasma

Aplicaciones de la metalización:

• Para trabajos de reparación, así como para piezas de nueva elaboración:
  • Recargues de ejes o piezas desgastadas
  • Reparación de defectos
  • Protección de piezas contra el desgaste
  • Protección de piezas contra corrosión

Ventajas de la metalización:

• Mejora de las propiedades de metal base
• Evitamos contracciones del metal
• Gama muy alta 0.1-20mm de espesor

Revestimiento duro

La producción de una capa superficial dura y resistente al desgaste sobre metales mediante soldadura.

Ventajas revestimiento duro:

• Puede aplicarse en áreas sujetas al desgaste
• Se dispone de compuestos duros y resistentes al desgaste

Diferencias inducción y llama

• Llama: Templar la zona superficial del acero calentándolo con una llama y enfriando después a una velocidad superior a la crítica con un chorro de agua.
• Inducción: Lo mismo pero en lugar de calentar las piezas superficialmente con una llama se calientan por medio de corrientes de alta frecuencia.

Métodos de difusión

• Cromado
• Siliciado
• Carburizacion o cementacion
• Cianuracion
• Carbonitruracion
• Nitruracion

Cianuracion

Tiene por objeto endurecer una capa superficial de acero por la acción combinada de carbono y nitrógeno.

Carbonitruracion

Tiene el mismo objeto que la cianuracion pero se realiza por medio de gases.

Nitruración

Tiene por objeto aportar nitrógeno a la capa superficial de los aceros con lo que se consigue endurecerla extraordinariamente.

¿Por qué el cobre, latón y bronce no suelen revestirse de forma dura?

Debido a sus bajos puntos de fusión y alta conductividad.

Metalurgia de polvos

La conformación de los metales y aleaciones reducidos a polvo.

Partes pulvimetalurgia:

• Fabricación de polvos metálicos
• Compactación
• Sinterizacion
• Operaciones secundarias (maquinado, tratamiento térmico…)

Compacto verde

Obtención de la compactación mediante punzones a temperatura ambiente de polvo o mezcla en una matriz.

Obtención de polvos metálicos

• Mecánico:
  • Pulverización metálica
  • Atomización
• Físico-químico:
  • Reducción de óxidos
  • Electrolítico
  • Descomposición térmica
  • Condensación

Propiedades de los polvos metálicos:

• Composición química
• Dimensiones partículas de polvo
• Formas partículas
• Densidad aparente
• Fluidez
• Contracción que experimentan las piezas en el sinterizado

Compactación de polvos

En colocar el polvo suelto o una mezcla de polvos en una matriz y compactarla mediante punzones a temperatura ambiente, la parte obtenida se llama compacto verde.

Sinterización

En calentar la pastilla a una temperatura suficientemente alta para unir las partículas de polvo por un proceso de difusión en estado sólido y para homogeneizar la distribución de los aleantes que haya en el polvo.

Tipos de sinterización:

• Sinterización de fase sólida
• Sinterización en fase líquida
• Sinterización holgada

Cambios en de fase sólida

• Fenómeno de difusión
• Densificación
• Recristalización y crecimiento de grano

Consideraciones diseño:

• Evitar las secciones delgadas y los bordes agudos
• Matrices deben tener radios de curvatura grandes
• Agujeros internos deben tener esquinas redondeadas
• Evitar ranuras profundas y estrechas

Ventajas pulvimetalurgia

• Pocos desperdicios
• Amplia variedad de diseños y formas
• Selección ilimitada de aleaciones y compuestos
• Alto volumen de producción y bajo coste
• Buenos acabados superficiales
• Tolerancias dimensionales estrechas

Aplicaciones:

• Productos que no pueden ser obtenidos por la metalurgia clásica
• Productos porosos
• Productos en serie

Limitaciones:

• Forma de las piezas
• Dimensiones de las piezas
• Precio de las matrices es muy elevado

Corrosión

Heterogeneidades responsables de corrosión en la fase metálica:

• Segregaciones
• Uniones bimetálica
• Bordes de grano

Temperatura en el proceso de corrosión

Bajando la temperatura se consigue disminuir la corrosión debido a que a velocidad de reacción disminuye.

Concentración de oxígeno

La bajada de concentración de oxígeno provoca la aparición de aireación diferencial.

Para qué se utilizan las series galvánicas

Para clasificar los metales o aleaciones por el orden de sus potenciales de disolución libre.

Factores que influyen en el potencial del metal en la corrosión galvánica:

• La composición química del medio
• Las películas de óxido u otros productos de corrosión que puedan existir o desarrollarse sobre la superficie metálica
• La temperatura y la velocidad del medio

¿Cómo influye la presencia de impurezas y elementos aleantes en la corrosión galvánica?

Estimulan la corrosión.

Aireación diferencial

Tipo de corrosión que se da cuando la sustancia responsable de la reacción catódica alcanza con dificultad las zonas de la superficie metálica.

¿Dónde se produce la reacción catódica en una pila de aireación diferencial?

En las zonas menos expuestas al oxígeno de la atmosfera.

Ataque localizado por corrosión

Actúa exclusivamente sobre determinadas áreas de la superficie.

¿Por qué en el ataque intergranular la pérdida de resistencia mecánica es tan elevada?

Debido a la gran cantidad de grietas que se producen en el interior del metal.

Corrosión

Reacción de un metal o aleación con el medio con deterioro de sus propiedades metálicas.

Corrosión según la morfología del ataque:

• Uniforme: el metal adelgaza uniformemente.
• Localizada: el metal resulta picado en determinadas zonas
• Intergranular: afecta a la unión de los granos de los constituyentes.

Corrosión según las acciones físicas:

• Corrosión bajo tensiones: esfuerzos estáticos y medio corrosivo
• Corrosión con fatiga: medio agresivo y esfuerzos variables
• Corrosión por erosión: medio corrosivo, al flujo de fluidos que contienen sólidos en suspensión

Oxidación directa

Afectando todo el proceso a la superficie metálica de una manera similar. “corrosión seca”, se produce sobre todo en metales expuestos a gases y a vapores calientes.

Electroquímica

No afecta por igual a toda la superficie, corrosión acuosa o húmeda ya que produce en medios acuosos o con la humedad de la atmósfera.

Corrosión galvánica

La galvánica también se denomina bimetálica, y depende de la diferencia de potencial entre los dos metales.

Potencial de equilibrio

Se establece como resultado del equilibrio entre dos tendencias, la de los átomos metálicos para dejar el metal y pasar a la disolución y la de los cationes para depositarse sobre el metal. El potencial de equilibrio debe ser siempre positivo.

¿Cómo influye la concentración de iones en el proceso corrosivo?

Si se reduce, disminuye la velocidad de corrosión.

Velocidad corrosión

Cantidad de metal depositada en el cátodo en la electrodepositación o removido del metal por corrosión.

Métodos control de la corrosión:

• Selección de materiales
• Recubrimientos
• Alteración por el entorno
• Protección anódica y catódica

Tipos de recubrimientos:

• Metálicos
• Inorgánicos
• Orgánicos

¿Por qué no son convenientes los polímeros para proporcionar protección contra la corrosión?

Son débiles y blandos y menos resistentes a los ácidos que los metales y aleaciones.

¿Por qué no son convenientes los cerámicos para proporcionar protección contra la corrosión?

Son muy frágiles a bajos esfuerzos de tensión.

Electrodepositación

Se aplica corriente continua a la capa que va a ser recubierta y a otro electrodo.

¿Qué hay que tener en cuenta a la hora de diseñar tuberías?

La acción penetrante de la corrosión junto con los requerimientos de fuerza mecánica a la hora de seleccionar el espesor del metal utilizado.

¿Cómo actúan los inhibidores en el control de la corrosión?

Cuantos más catalizadores menos velocidad de corrosión.

¿En qué consiste la protección catódica?

Consiste en suministrar electrones a la estructura que ha de ser protegida. Si se suministran de modo continuo la corrosión resulta suprimida.