Metales

Los metales y las aleaciones, que incluyen al acero, aluminio, magnesio, zinc, hierro fundido, titanio, cobre y níquel, entre otros, se caracterizan por una adecuada conductividad térmica y eléctrica, además de resistencia mecánica, alta rigidez, ductilidad y resistencia al impacto.

Ejemplos:

1. Cobre: Una de sus aplicaciones son alambres para conductores eléctricos y sus propiedades van desde su alta conductividad hasta conformabilidad aceptable.
2. Hierro fundido gris: Con él se hacen bloques para motores de automóvil, y algunas de sus propiedades son moldeabilidad, maquinabilidad, absorción de vibraciones, entre otras.

Los metales son útiles en aplicaciones estructurales o de carga, y se prefiere el empleo de sus combinaciones denominadas aleaciones. La manera más general de clasificación de los materiales es la siguiente:

Clasificación General de los Materiales

a) Metálicos

• Ferrosos
• No ferrosos

b) No metálicos

• Orgánicos
• Inorgánicos

Metales Ferrosos

Los metales ferrosos, como su nombre lo indica, tienen como principal componente el hierro. Sus principales características son su gran resistencia a la tensión y dureza. Las principales aleaciones se logran con el estaño, plata, platino, manganeso, vanadio y titanio. Los principales productos representantes de los materiales metálicos son:

• Fundición de hierro gris
• Hierro maleable
• Aceros
• Fundición de hierro blanco

Su temperatura de fusión va desde los 1360 °C hasta los 1425 °C y uno de sus principales problemas es la corrosión.

Metales No Ferrosos

Por lo regular, tienen menor resistencia a la tensión y dureza que los metales ferrosos. Sin embargo, su resistencia a la corrosión es superior. Su costo es alto en comparación a los materiales ferrosos, pero con el aumento de su demanda y las nuevas técnicas de extracción y refinamiento se han logrado abatir considerablemente los costos, con lo que su competitividad ha crecido notablemente en los últimos años. Los principales metales no ferrosos utilizados en la manufactura son:

• Aluminio
• Cobre
• Magnesio
• Níquel
• Plomo
• Titanio
• Zinc

Los metales no ferrosos son utilizados en la manufactura como elementos complementarios de los metales ferrosos. También son muy útiles como materiales puros o aleados, los que por sus propiedades físicas y de ingeniería cubren determinadas exigencias o condiciones de trabajo. Por ejemplo, el bronce (cobre, plomo, estaño) y el latón (cobre, zinc).

Cerámicos

Los materiales cerámicos, como ladrillos, vidrio, losa, aislantes y abrasivos, tienen escasa conductividad térmica y eléctrica, buena resistencia y dureza. Son deficientes en ductilidad y resistencia al impacto. Por lo anterior, son menos usados en aplicaciones estructurales.

Ejemplos:

1. Los vidrios planos para ventana tienen buena transparencia y son aislantes térmicos.
2. Los refractarios para contener material fundido tienen como propiedades ser aislantes térmicos, tener alto punto de fusión e inercia ante el metal fundido.

Clasificación de los Materiales Cerámicos

Los materiales cerámicos se pueden clasificar:

a) Con base en la clase de sus compuestos químicos:

• Óxidos
• Nitruros
• Carburos
• Fluoruros
• Sulfuros

b) Por su funcionalidad:

• Eléctricos
• Magnéticos
• Ópticos
• De construcción
• Químicos
• Domésticos

Los tipos de enlace que unen a los cerámicos son el iónico y el covalente. Los materiales cerámicos se procesan en polvo debido a que no se pueden fundir tan fácilmente como los metales, y esta es una diferencia entre un metal y un cerámico.

Un material cerámico es un material inorgánico con elevada temperatura de fusión, por lo común duro y frágil. En cambio, un material vitrocerámico son formas cerámicas que se producen en el estado vítreo y que posteriormente se dejan cristalizar durante un tratamiento térmico para lograr una mejor resistencia a la tenacidad.

Ejemplos de ciertos materiales cerámicos y sus usos:

• Alúmina: Se usa para contener metales fundidos, tienen elevada resistencia mecánica, se usa en empaques electrónicos, aisladores de bujías, etc.
• Nitrato de Bario: Material cerámico electrónico de más alta utilización, se usa para capacitares.
• Diamante: Material más duro que existe en la naturaleza, se usa en abrasivos para pulverizar y pulir, en herramientas de corte y joyería.
• Sílice: Su uso más amplio es como ingrediente de vidrios y vitrocerámicos, aislamientos térmicos, refractarios y abrasivos.

Cabe mencionar que algunos de los polvos cerámicos más comunes son el óxido de alúmina, bióxido de titanio, óxido de zinc y óxido de zirconio.

Algunas de las características más comunes es que se funden a altas temperaturas y presentan un comportamiento frágil a la tensión. Los materiales cerámicos con un tamaño pequeño de grano son más resistentes que los de grano grueso. Además del tamaño de grano, dependen otras características como magnéticas, dieléctricas y ópticas.

Diferencias entre Vidrio, Vitrocerámico y Cerámico

• Vitrocerámico: Derivado del vidrio, pero con estructura cristalina.
• Vidrio: Sustancia inorgánica amorfa.

Polímeros

El caucho, el plástico y muchos tipos de adhesivos se producen creando estructuras moleculares a partir del petróleo en un proceso llamado polimerización. Los polímeros tienen baja conductividad térmica y eléctrica, poca resistencia mecánica y a altas temperaturas.

Ejemplos:

1. El polietileno se aplica para empacado de alimentos, una de sus propiedades es que es fácilmente conformable en delgadas películas flexibles e impermeables.
2. Los epóxicos se aplican en encapsulado de circuitos integrados y como propiedad es buen aislante eléctrico y resistente a la humedad.

Un polímero es una macromolécula formada de la unión de moléculas más pequeñas llamadas monómeros. Dentro de los polímeros encontramos los polímeros sintéticos, tales como PE, PS, ABS, Nylon, PET, y los naturales, como son la celulosa (como pulpa de madera y algodón) y hule. La diferencia que encontramos entre un polímero natural y uno sintético es que el natural se encuentra en su estado normal en la naturaleza y los sintéticos son modificaciones que se le hacen a los naturales para obtener mejores propiedades.

Los tipos de enlace que unen a los polímeros son el enlace covalente y el de Van der Waals. Además, todos los polímeros tienen una estructura tridimensional compleja. Los polímeros se clasifican por sus mecanismos de polimerización, por su estructura y por su comportamiento.

Un homopolímero es una macromolécula formada por un solo tipo de monómeros. En cambio, el copolímero se forma por dos o más monómeros diferentes. Los termoplásticos son aquellos que reblandecen al calentarse y fluyen al aplicárseles una fuerza. Al enfriarse, pueden calentarse de nuevo y volver a reblandecer, polimerizan en cadenas lineales (1-D). Los termofijos son aquellos que reblandecen al calentarse por primera vez. Al enfriarse y volver a calentarse de nuevo se queman, polimerizan en redes moleculares (3D).

La polimerización es un proceso en el cual moléculas más pequeñas se unen para crear moléculas gigantes. La polimerización puede ser por adición (su característica es que la unidad repetitiva tiene la misma fórmula química que la del monómero) o por condensación (su característica involucra la aparición de un subproducto, agua o alcohol).

Aplicaciones y Características de Algunos Polímeros

Polipropileno

• De acuerdo al acomodo del CH₃:
• Atáctico: Es aquel donde los grupos CH₃ están colocados al azar.
• Isotáctico: Los grupos CH₃ están colocados del mismo lado de la cadena principal.
• Sindiotáctico: Los grupos CH₃ están alternados a uno y otro lado de la cadena principal.
• Aplicaciones: Envolturas de cajas de cigarros, jeringas, popotes, tapetes, etc.

Poliestireno

• Homopolímero: Es de alta rigidez, tiene altas propiedades ópticas, es brillante y de fácil procesamiento.
• Copolímero: Es traslúcido, dúctil, no posee barrera a las grasas, es permeable al agua.
• Aplicaciones: Se usa para contenedores de chocolates finos, bolsas y para defensas de automóviles.

ABS

• Acrilonitrilo: Resistencia química, al rayado, al envejecimiento, al calor, a la tensión.
• Butadieno: Resistencia al impacto.
• Estireno: Procesabilidad, rigidez, brillo, transparencia.
• Aplicaciones: Paneles de computadora, carcasas de planchas, cajas de teléfono.

PET

• Es un material semicristalino, alta resistencia al impacto, transparente, larga vida, excelente al O₂.
• Generalmente se usa para embalaje de bebidas carbonatadas, agua potable, aceite comestible, productos industriales, cosméticos, empaque de alimentos.

PVC

• Material amorfo, menos de 10% de cristalinidad.
• Se aplica en la industria eléctrica, piso, construcciones.

Materiales Compuestos

Están construidos por dos o más materiales que generan propiedades que uno solo no puede dar, como el concreto, el triplay y la fibra de vidrio.

Ejemplos:

1. Grafito en matriz epóxica: Se aplica en componentes aeronáuticos por su propiedad adecuada resistencia-peso.
2. Carburo de tungsteno en matriz de cobalto: Se aplica en herramientas de corte para maquinado gracias a su alta dureza y buena resistencia al impacto.

Componentes de un Material Compuesto

Un material compuesto se compone de:

• Matriz: Material que se encuentra en mayor proporción.
• Refuerzo: Agregado en la matriz con el fin de mejorar propiedades del artículo terminado.
• Relleno: Agregado en la matriz cuyo único fin es aglomerar más material sin alterar las propiedades resultantes del material.

Posibles combinaciones:

• Matriz Polimérica ——- Refuerzo/Relleno: Metal-Cerámico
• Matriz Cerámica ——- Refuerzo/Relleno: Metal-Polímero
• Matriz Metálica ——- Refuerzo/Relleno: Polímero-Cerámico

Clasificación de los Materiales Compuestos

Los compuestos se clasifican en tres:

1. Compuestos con partículas
2. Compuestos con fibras
3. Compuestos laminares

1) Compuestos Particulados

Tienen grandes cantidades de partículas gruesas que no bloquean el deslizamiento con eficacia. Podemos encontrar:

• Carburos cementados: Contienen partículas cerámicas duras dispersas en una matriz metálica.
• Contactos eléctricos: Los materiales utilizados en interruptores y relevadores para contactos eléctricos deben ser resistentes al desgaste y conducir la electricidad, por lo que se usa plata reforzada con tungsteno.
• Compuestos particulados de metales fundidos: Son fundiciones de aluminio con partículas de SiC dispersas para aplicación automotriz, incluyendo pistones y bielas.

2) Compuestos Reforzados con Fibras

Tienen mayor resistencia a la fatiga, mayor rigidez y mejor relación resistencia-peso. Esto se logra al incorporar fibras resistentes y rígidas, aunque frágiles, en una matriz blanda y dúctil, pues la matriz trasmite la resistencia a la fibra y esta resiste la fuerza.

• Longitud y diámetro de las fibras: Las fibras pueden ser cortas, largas o continuas. Se caracterizan sus dimensiones mediante la relación de forma. La resistencia mejora cuando la relación de forma es grande.
• Cantidad de fibras: Una fracción de volumen de fibras incrementa la resistencia y la rigidez del compuesto. La fracción máxima es 80%.
• Propiedades de las fibras: Son resistentes, rígidas y de poco peso. Las características más importantes son resistencia específica y módulo específico.
• Propiedades de las matrices: Soporta a las fibras manteniéndolas en su posición correcta, transfiere la carga a las fibras fuertes, las protege de los daños.
• Compuestos avanzados: Son de matriz polimérica y reforzados con fibras poliméricas, metálicas o cerámicas. Se utilizan para artículos deportivos: raquetas, palos de golf, cañas de pescar, etc.
• Compuestos de matriz metálica: Se refuerzan con fibras metálicas o cerámicas para resistencia a la alta temperatura. En compuestos de matriz metálica se usa el aluminio, como en motores diésel. Las fibras poliméricas, por tener baja temperatura de fusión y degradación, no se usan comúnmente. Estos compuestos tienen aplicaciones en turborreactores y cohetes. Una aplicación única para los compuestos de matriz metálica es el alambre superconductor que se requiere en los reactores de fusión.
• Compuestos de matriz cerámica: Los compuestos carbono-carbono se usan para tener alta resistencia a la temperatura en aplicaciones aeroespaciales. Los compuestos carbono-carbono se fabrican formando un tejido de fibra de carbono en un molde y luego se impregna con una resina orgánica. Luego se piroliza y la resina se hace carbono. Los compuestos matriz cerámica-fibra cerámica han obtenido una mayor resistencia y tenacidad a la fractura. Los refuerzos de fibra mejoran la tenacidad de la matriz cerámica. La diferencia de la matriz cerámica con respecto a la polimérica o metálica es que la unión entre la matriz y el refuerzo/relleno debe ser mala y no buena.

3) Metales Compuestos Laminares

Incluyen recubrimientos delgados, superficies protectoras más gruesas, revestimientos metálicos, bimetálicos, laminados. Están diseñados para mejorar la resistencia a la corrosión conservando bajo costo, alta resistencia o bajo peso. Tienen una resistencia superior al desgaste o a la abrasión y características de expansión térmicas poco usuales. Para construir compuestos laminados se usan técnicas de deformación y de unión tales como:

• Unión por laminación adhesiva: Se colocan varias capas, entre ellas se coloca una película de polímero que no ha terminado de polimerizar. Al comprimirse a altas temperaturas se polimeriza y se logra la unión.
• Unión por explosión: Una carga explosiva proporciona la presión requerida para la unión de los metales.
• Soldadura capilar: Las hojas metálicas separadas por un espacio pequeño, se calientan por encima de la temperatura de fusión del material de aporte, el cual ya fundido es atraído por acción capilar a la unión.