Propiedades Importantes del Acero

• Resistencia estática: Extensión unitaria máxima que tiene el material sin que pierda su funcionamiento. La resistencia interna puede ser propia o adquirida.
• Ensayo: Permite obtener las características físicas del material (la información).
• Ductilidad: Podemos determinar la sobrecarga del material, capacidad de los materiales de absorber sobrecarga. % de alargamiento <5% (frágil), >5% (dúctil).
• Resistencia: Capacidad de absorber energía en la zona elástica.
• Tenacidad: Capacidad de absorber energía en la zona plástica. Es útil para conformar el material.

Métodos de Elaboración del Acero

1. Fundición

Es el más antiguo y conocido.

a) Molde en arena

Los moldes se fabrican en madera, arena de fundición con carbono. Sobre esta se coloca el molde y luego se saca, y se le pone una tapa con perforaciones para incorporar material y eliminar gases. Se le echa fundición y se deja para que se establezca y se pueda trabajar, y enfriar al aire. (Procedimiento más simple, más bajo costo, permite fundir grandes cantidades de piezas, más económico, sin límite de formas, (acero, fundición gris, bronce, aluminio)).

b) Molde en cascada

Para piezas no complicadas. Se fabrica el molde en acero y se le da temperatura (250-500ºC). Por la parte externa se le agrega arena con resina termoestable y se le forma una cascada externa con espesor entre 5-10 mm. Una vez que se enfría, se corta y saca la cáscara. Se hacen hoyitos para meter material. El material fundido se agrega al molde y va disminuyendo, pero se derrite el molde y queda la pieza. (Alto grado de terminación, ahorro en el costo de mecanizado, producto tiene superficies muy lisas).

c) Molde de modelo perdido

Para piezas chicas, aprox. de 15 kg: formas complicadas, metales difíciles de mecanizar. La pieza se fabrica en un molde de cera, se fabrica el molde y se coloca en una caja con arena, se apisona y queda la forma en la arena, se echa el material fundido, se derrite la cera y ocupa todo el espacio.

2. Metalurgia de Polvo

Se pulveriza el material (bronce, aluminio), se fabrican moldes y el material se coloca dentro y se le coloca presión. Se saca el molde y se lleva a horno, y al salir ya es material sólido y se deja en aceite. Se usa mucho en la fabricación de balatas.

Ventajas: Se elimina el material sobrante y operaciones de mecanizado, unidades de bajo costo, controla la composición del material.

Desventajas: Requiere que se hagan matrices (alto costo), limita el proyecto, límites de materiales a usar.

3. Laminación

Puede ser en frío o caliente.

4. Forjado

Se calienta y da golpes. Dar forma a un metal que tiene temperatura (<600ºC). Se le puede dar la forma mediante trabajo manual, neumático, hidráulico, o mediante prensas. Los aceros tienen que ser forjados y soldables. Permite aumentar resistencia y ductilidad (de grano fino). Para piezas del mismo tamaño o peso, esta forma es más resistente que la fundición.

5. Extrusión

Se agrega gran presión a materiales que están a gran temperatura y se hace pasar a una matriz y se logra un producto con la forma de la matriz. Se utilizan metales con bajo punto de fusión (aluminio, cobre, plomo, zinc).

6. Trefilado

Es usado en la fabricación de alambres. El alambrón pasa a través de la mordaza, se tira y reduce tamaño del diámetro, sale alambre. Aumenta dureza y disminuye ductilidad.

7. Embutido

Forma cajas (comida china). Se le aplica presión y el material forma la caja.

8. Estampado

Para estampar figura en el material. Muy utilizado en procesos de impresión. Más usado en carrocería de autos.

9. Troquelado

Se fabrica matriz de corte (caja cartón). Cortar de una sola vez mediante una matriz de acero con los contornos afilados. La matriz puede ser plana o giratoria. Troquel: pieza de corte, requiere presión.

10. Punzado

Similar al embutido. El punzón tiene filo y es trabajado en frío y una matriz requiere de gran carga mediante una prensa (mecánica o hidráulica).

Clasificación de los Metales no Ferrosos

• Metales no ferrosos pesados: densidad >= 5 kg/dm³ (níquel, zinc, cromo).
• Metales no ferrosos ligeros: densidad entre 2 y 5 kg/dm³.
• Metales no ferrosos ultraligeros: densidad < 2 kg/dm³ (berilio, magnesio).

Aleación de Metales no Ferrosos

Resistencia mecánica, dureza superficial. Varían punto de fusión, conductividad térmica.

Ordenamiento en cuanto a Uso Industrial

Cobre, aluminio, estaño, plomo, zinc, cromo, titanio, magnesio.

Cobre

99% de dureza, propiedades térmicas y eléctricas, resistencia a la corrosión, ductilidad en hilos, maleable.

• Los únicos elementos con conductividad más alta que el cobre son la plata y el aluminio (< peso que el cobre y > costo de obtención, se usa por la formación de cuaternarias).
• Los cables o hilos que se forman son de diámetro 0.025 mm hacia arriba.
• Propiedades mecánicas: varían de acuerdo al tipo de cobre que se utiliza.

• Propiedades eléctricas: La resistencia específica del cobre recocido a 20ºC es de 1,7241. El cobre electrolítico consigue una conductividad de 101-102% del promedio. Resistencia a la corrosión, sobre todo al ataque de agentes químicos: agua, atmósfera, radiadores.
• Cañerías: Forman una capa externa, resistencia innata a la corrosión.
• Soldabilidad: Baja resistencia eléctrica, no se recomienda soldadura por arco y por resistencia eléctrica. Para soldar el cobre se usa gas acetileno.
• Deformación plástica: Puede ser procesado y transformar piezas. Tiene gran cualidad de deformación plástica o en caliente.
• Obtención del Cobre: Chile es el primer productor de cobre y posee el 30% de la reserva mundial del cobre.
• MENA: Comúnmente tiene 1-12% del cobre y el resto es material estéril.
• Explotación minera: Se efectúan mediante 2 métodos: rajo abierto y subterránea.
• Proceso de explotación: Perforación, tronadura, carguío y transporte.
• Explotación: Alto costo.
• Tronadura minera: 65% de todo el costo de producción.
• Perforación: Hacer una perforación en un punto definido por la explotación de la mina (roca). Esta debe ser adecuada por los siguientes motivos: en la cavidad producida se alojan cargas explosivas. La planificación del proceso es fundamental para el éxito del proceso. Consta de 4 etapas:
  1. Percusión: Impactos que produce la máquina contra el elemento perforado (broca).
  2. Empuje: Fuerza que se necesita para mantener el contacto entre roca y broca.
  3. Rotación: Movimiento que realiza la broca para arrancar el material.
  4. Barrido: Fluido que sale desde la máquina que va a permitir sacar el DETRITO (material más fino que se obtiene de la perforación).
• Características del material:
  • a) Eliminar la dureza (depende de la composición, porosidad, humedad de la roca).
  • b) Resistencia: Oposición que presenta la roca a ser perforada (depende de la cantidad de cuarzo que contenga).
  • c) Elasticidad: Las brocas pueden ser elásticas o frágiles.
  • d) Plasticidad: Capacidad de poder deformarse plásticamente.
  • e) Abrasividad: La broca tiene una duración menor, disminuye la duración del BIT.
• Planos de perforación: Permiten el avance en los distintos niveles de la faena.
• Sistemas de GPS: Posicionador terrestre, existe un ordenamiento.
• Perforación a rajos abiertos.
• Tronadura: Fragmentación del mineral y estéril.
  • a) Explosivos: Características del mineral, posición de la roca.
  • b) Tronadura: Se cierra la empresa.
• Carguío y transporte: Sistema GPS para el transporte y mantenimiento.
• Central que maneja el movimiento de equipos: DISPATCH.
• Costo: Perforación, tronaduras, carguío el 40% de la explotación minera y el transporte planta-botadero el 60%.
• Metalurgia del Cobre: Depende del tipo de material: sulfuro pirometalurgia (fundición), óxidos hidrometalurgia (lixiviación).
• Pirometalurgia: Fundición del material para sacar el cobre del yacimiento.
  • a) Concentrado de Cobre: Se realiza agregando al cobre molido agentes químicos que permiten que se forme una masa húmeda. Se forman burbujas y se asoma el cobre (12%).
  • b) Luego se lleva a fundición y deja en la parte superior las impurezas. En la parte inferior se encuentra el cobre (90%-98%).
  • c) Para eliminar las impurezas se lleva el cobre a un proceso de convertidores y afinado (método electrolítico que tiene un 99,9% de cobre). En la fundición se obtiene un lingote, luego se deposita el cobre y se obtiene con un 99,9% de pureza.
• Proceso de refinación del Cobre.
• Lixiviación del Cobre: Proceso de hidrometalurgia, se moja el material para extraer los materiales que tiene el cobre.
• Los materiales que se utilizan para este proceso deben ser valiosos en contenido de cobre para que no hayan pérdidas grandes en los residuos.
• Proceso caro: Los procesos deben ser bien utilizados para optimizar el rendimiento. Etapas a cumplir:
• Chancado: Sacar el material y debe permeabilizarse con la superficie.
• Para mejorar el rendimiento: acarreo: sacar fino, para no pasarlo 2 veces por el chancador.
• Tamaño del mineral para lixiviación: Define la velocidad con la que se puede diluir.
  • a) Lixiviación en pilas, el tamaño del grano fluctúa entre 100-250 mm.
  • b) Lixiviación en depósitos 1-50 mm.
  • c) Lixiviación dinámica < a 1 mm.
• Tamaño productivo que se maneja = 120 mm.
• Las plantas de chancado son 3:
  • a) Fijas: Donde los camiones corrompen al material.
  • b) Semifijas/desmontables: Se cambian de sector, se usan para trabajar en forma estéril.
  • c) Móviles o portátiles.
• Aglomeración: Antes de pasar por la lixiviación, preparar el material para la lixiviación. Con el tamaño adecuado se logra un buen coeficiente de permeabilidad (factor más importante, depende de la porosidad que tienen los granos y el tipo de pilas).
• Para un buen proceso de lixiviación, mezclar materiales finos y así tienes una buena aglomeración. El polvo más fino se une a los granos, a través de los granos se junta el polvo para obtener tipos de AGLOMERACIÓN.
• Humedad: Se agrega H₂O hasta que las partículas se junten, los finos se adhieren a los granos más gruesos. Con bajos contenidos de finos, se riegan las pilas para que baje ya humedecido.
• Aglomeración por adherentes: Unión mediante elementos químicos.
• Factores de la aglomeración: El material debe tener tamaño y geometría, ley de cobre, condiciones ambientales, tiempo de curado (tiempo en que el líquido empieza a descender, tiempo de curado = 24 horas y si se atrasa se tiene más tiempo trabajando este líquido).
• Aglomeración, existen 2 métodos: Método ácido (cobre) y Método alcalino (oro y plata).
  • Ácido: Mediante el uso de ácido sulfúrico concentrado, por lo tanto, lixiviación:
    1. Se hiela el patio, sobre este piso se colocan impermeabilizantes.
    2. El material se coloca en forma trapezoidal. Luego de confeccionar el material, se impermeabiliza para que se unan todos los materiales. Se incorpora el líquido lixiviante (ácido sulfúrico), se deposita en forma adecuada para que quede conforme. Al ir desconcentrando el ácido sulfúrico, el percolado que contiene óxido de cobre va a ir bajando hacia el piso. Se colocan ductos o canaletas, se extrae el percolado (líquido) con óxido de cobre. Este material se lleva a un proceso donde se le sacan las impurezas y luego se lleva a lixiviación. El tiempo de curado fluctúa en 21 horas para esta pila.
    3. Las soluciones que se extraen son de 2 tipos:
       • a) Alto contenido de cobre 80-50 g/l.
       • b) Solución débil < 30 g/l, el material se lleva al proceso.
• Extracción por solvente: Proceso efectivo para purificar, concentrar y separar el metal que se encuentra en la solución. Se pueden hacer 2 métodos:
  • a) Sacar el mineral de la solución y dejar las impurezas, se puede transformar el cobre a un electrolito.
  • b) Sacar las impurezas y dejar el mineral.
• Electroobtención: Traspasamos el cobre a un electrolito, pero se aplica un proceso electrolítico sobre el electrolito, se aplica un cuerpo eléctrico (permite que en la placa se deposite el cobre) y en la placa queda el cobre.
• Aleaciones de Cobre:
  • Latones (cobre-zinc): Más de un 50% de zinc, son muy frágiles y no tienen uso industrial. La resistencia mecánica puede llegar hasta los 4800 kg/cm².
    • a) Latones alfa: Zinc 0-36%, se pueden trabajar en frío, resistencia 2500-3300 kg/cm², alargamiento 31-58%. El más usado tiene 30% de zinc para la fabricación de balas.
    • b) Latones alfa + beta: Zinc = 37,5-45%, aleación 60% cobre – 40% zinc, para trabajar en caliente, para laminar extruibles.
    • c) Latones beta: Zinc >= 46%, el material es muy rígido, no tiene deformación plástica, duro y baja plasticidad.
    • d) Latones al estaño: Aleaciones de cobre-zinc-estaño, estaño <= 1%, zinc <= 40%. Se le agrega estaño para aumentar la resistencia a la corrosión.
    • e) Latones de plomo: Cobre-zinc-plomo, plomo: 0,5-3,5%, zinc <= 40%. Se le agrega plomo como autolubricante.
  • Bronce: Otra aleación, aleación de cobre-estaño. Se funden ambos metales y se forma el bronce. No se usa industrialmente debido a que > 32% de estaño => bronce quebradizo.
    • a) Bronce alfa: Fabricación de cables y alambres, se pueden procesar en frío, estaño <= 8%, resistencia 2800-3800 kg/cm², alargamiento 30-45%.
    • b) Bronces con estructura compleja: Estaño 8-15,8%. Se logra aplicar con este porcentaje tratamientos térmicos. Se usa en la fabricación de moldes, válvulas, uniones de tuberías debido a aleación dura.
    • c) Bronces fosforosos: 0,4-0,5% de fósforo, se mejora la resistencia al roce y con esto se fabrican los bujes.
    • d) Bronces porosos (sintetizado): Se muele el bronce, se mezcla con grafito y se agregan a elementos de freno.

Aluminio y sus Aleaciones

No se usa para la fabricación de piezas aeronáuticas 90% de aluminio y lo demás de otros elementos.

• El aluminio tiene 1/3 de la pieza de acero, resistencia = 900 kg/cm² (aleaciones).
• Densidad del aluminio = 2,6 kg/dm³ y densidad del acero = 7,8 kg/dm³ (1/3 más liviano).
• Módulo de elasticidad del aluminio = 725000 kg/cm² y módulo de elasticidad del acero = 21×10⁶ kg/cm² (1/3 menos rígido).
• Cualquier golpe producido al aluminio lo deforma, tiene baja resistencia al impacto.
• Tiene resistencia a la corrosión porque forma una capa fina al óxido.
• En forma natural se le forma una capa protectora. También se le puede agregar esta capa mediante oxidación anódica para poder proteger e incluso darle colores. Se coloca la pieza en un tanque y se hace circular corriente de + a – y se le agrega color:
  • a) Para transferir fluidos: rojos.
  • b) Para transferir aguas: verdes.
  • c) Transmisión hidráulica: azul.
• Conductividad térmica y eléctrica: Conducen el calor y no deben retenerlo. La capacidad de transmisión eléctrica es excelente, casi mejor que el cobre. Se pueden fabricar hilos y alambres, debido a que es muy dúctil. El costo de producción es 3 veces más alto que el cobre.
• Mecanizado y fabricación de piezas: El aluminio blando es difícil de mecanizar, por lo tanto, se debe alear. Como es dúctil y versátil se puede fabricar desde piezas fundidas hasta piezas mecanizadas por distintos procesos: laminación, extrusión, forja.
• Soldaduras: No todos los tipos de soldaduras son recomendables, debido a la conductividad:
  • a) Autógena (oxiacetilénica).
  • b) TIG (electrodo de tungsteno): Soldadura de arco, se coloca la antorcha la cual se funde por el arco.
  • c) Soldadura por resistencia: Conecta 2 puntos, produce un campo eléctrico, debido a calor y este funde luego al material. El óxido atenta contra un buen color de soldadura.
• Elementos aleantes y tratamientos térmicos:
  • Elementos más utilizados con el aluminio: cobre, silicio, manganeso, magnesio, hierro.
  • Las aleaciones se encuentran como 2 tipos:
    • a) Por encolada: Se funden, mayor dificultad para trabajar en frío.
    • b) Por forja: Mediante golpes, más fácil trabajar en frío.
  • Tratamientos térmicos: Caliento la pieza hasta una cierta temperatura que permita que el elemento que estoy entregando (nitrógeno y carbono) se disuelva. Este elemento en el aluminio y se deja enfriar rápidamente, se produce en la superficie de aleación un envejecimiento del material. El aluminio no cambia de color a altas temperaturas.
  • Sistema de numeración: Al X X X X (1er dígito indica el tipo de aleación, 2do dígito indica la modificación específica de la aleación, 3er y 4to dígito la pureza del aluminio que tiene la aleación).
    • 1 X X X: Aleación de aluminio al 99%.
    • 2 X X X: Aleación en que predomina el cobre.
    • 3 X X X: Manganeso.
    • 4 X X X: Silicio.
    • Al 2024: Aleación al cobre, que no ha sido modificada con un 24% de aluminio en su aleación.
  • Después del número se le agregan letras y números que indican el tratamiento térmico de la aleación.
    • a) F: Sin tratamiento térmico.
    • b) O: Material está recocido y forjado.
    • c) H14: Elemento trabajado en frío.
    • d) T3: Termotratado.
    • e) T6: Termotratado por envejecimiento natural.
  • Al comprar el material, este debe tener el tratamiento térmico incorporado.

Magnesio

• Manganeso: Admite muy fácil el oxígeno, lo agrega con facilidad.
• Métodos de Obtención:
  • a) Electrólisis del cloruro de magnesio.
  • b) Reducción térmica el óxido de magnesio.
  • a) Como el cloruro de magnesio se concentra en el agua salada, es el principal agente donde se obtiene el magnesio.
    • En la cuba electrolítica se agrega cloruro de magnesio a este electrolito, se le agregan cloruros y fluoruros alcalinos. Estos permiten que baje el punto de fusión, modifican la densidad del electrolito y con eso se favorece la separación del cloruro de magnesio. Debido a que se baja la densidad del magnesio, se forma en los cátodos de hierro y flota sobre la solución. Se desprende cloro que se saca a través de las campanas. En este proceso se usa un bajo voltaje y alta corriente.
    • Temperatura de trabajo: 700-750ºC.
    • Voltaje: 6-8 volt.
    • Corriente: 10000-40000 amperios.
    • Para producir una tonelada de magnesio se requieren entre 17000 a 18000 kWh.
    • El magnesio que se obtiene por electrólisis tiene una pureza de 99,5%.
  • b) Reducción térmica del óxido: Agregan un agente reductor al magnesio y con eso reducen con un agente reductor (+ calor), se separa el magnesio.
    • Se realiza con temperatura (de reducción) cercana a los 1100ºC.
    • MgO + R → RO + Mg, R: cuerpo reductor.
• Agentes reductores:
  • a) Carbono: Es oxidante, se debe tener cuidado, se agrega hidrógeno, contiene monóxido de carbono, puede oxidar al magnesio, es el de más bajo costo. MgO + C → CO + Mg (se le agrega hidrógeno).
  • b) Aluminio: Método más caro, al tenerlo como agente reductor de H₂O₃, separa automáticamente el magnesio.
    • Ferrosilicio es el más usado en la industria.
    • Forma SiO₂ que logra la separación automática del magnesio.
    • Costo intermedio.
    • Los dos procesos nos entregan un producto con un 95% de magnesio.
• Afino del Magnesio:
  • El magnesio tiende a ser atacado.
  • Refusión: Método normal de refundir, se toma el material, se mezcla con fundente y se pueden eliminar las impurezas y deposita el magnesio en el crisol.
  • El magnesio que se logra tiene una pureza de 99,9% de magnesio.
  • Magnesio + Fundente → eliminar impurezas.
• Propiedades Físicas:
  • Densidad = 1,73 kg/dm³, calor específico = 0,25 cal/g, conductividad = 38% de la del cobre eléctrico, temperatura de fusión = 650ºC.
• Propiedades Mecánicas:
  • Resistencia = 1000-2200 kg/cm², módulo de elasticidad = 47000 kg/cm².
• Aleaciones comerciales más usadas:
  • Magnesio-aluminio: Mejora características mecánicas.
  • Magnesio-zinc: Mejora la corrosión.
• Soldadura: Autógena, TIG, resistencia eléctrica.