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República Bolivariana de Venezuela Ministerio del Poder Popular para la Educación Universidad José Antonio Páez Facultad de Ingeniería

Aleaciones ferrosas y no ferrosas Sección: 205N1 Grupo #4 Integrantes: Castillo, Raymond. C.I: 25.981.308 Esteves, Antony. C.I: 25.892.738 Henriquez, Alexis. C.I: 24.647.665 Sandoval, Héctor. C.I: 24.244.967

San Diego, agosto del 2016

ÍNDICE

Tema

Página

Introducción --------------------------------------------------------------- 3 Definición de aleación ----------------------------------------------------- 5 Aleaciones Ferrosas -------------------------------------------------------- 9 Clasificación de las aleaciones ferrosas ---------------------------------- 9 El Hierro. Materia prima y obtención Obtención del acero

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Clasificación de los aceros ----------------------------------------------- 19 Identificación de los aceros

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Fundiciones ferrosas ----------------------------------------------------- 24 Aleaciones no ferrosas --------------------------------------------------- 26 Aleaciones de Cobre ----------------------------------------------------- 26 Aleaciones de Aluminio -------------------------------------------------- 29 Aleaciones de Titanio ---------------------------------------------------- 31 Aleaciones de Magnesio ------------------------------------------------- 34 Aleaciones de Níquel ----------------------------------------------------- 35 Superaleaciones

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Conclusión ---------------------------------------------------------------- 40 Bibliografía

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INTRODUCCIÓN

Los metales y las aleaciones tienen muchas propiedades útiles en ingeniería, por lo cual sus aplicaciones en diseños de este campo están muy generalizadas. El hierro y sus aleaciones (en primer lugar el acero) representan casi 90 por ciento de la producción mundial de metales, sobre todo por su satisfactoria combinación de resistencia, tenacidad y ductilidad a costo relativamente bajo. Cada metal tiene propiedades especiales para los diseños de ingeniería y se usa después de realizar un análisis comparativo de costos con otros metales y materiales. Gran variedad de aleaciones metálicas, como aceros al carbono simple, aceros de aleación, aceros inoxidables, hierro fundido y aleaciones de cobre, se usan para fabricar diversos tipos de engranes. Por ejemplo, los aceros al cromo se usan en engranes de transmisión para automóviles, los aceros al cromo-molibdeno se usan en engranes de turbinas de gas para aviones, los aceros al níquelmolibdeno se usan en equipo de excavación o movimiento de tierra, y algunas aleaciones de cobre se usan en la fabricación de engranajes para niveles de carga bajos. La elección del metal para engranes y su manufactura dependen de las dimensiones, los esfuerzos, las necesidades de potencia y el entorno en el que vayan a funcionar. Las aleaciones a base de hierro se llaman aleaciones ferrosas y las que se basan en otros metales se llaman aleaciones no ferrosas. En este texto se analizan algunos aspectos del procesamiento, estructura y propiedades de varias aleaciones ferrosas y no ferrosas importantes.

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Figura 1. Lingotes de acero. El acero constituye una de las aleaciones más importantes en la ingeniería.

Figura 2. La estructura de la aleación níquel-tungsteno. Los cristales azules están hechos sobre todo de níquel, mientras que las regiones rojas están hechas mayormente de tungsteno.

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Definición de aleación Una aleación es considerada como una mezcla sólida homogénea de uno o más metales con algunos elementos no metálicos. Éstas se pueden lograr mezclando los elementos a fundir a temperaturas muy altas que se encarguen de que sus componentes se fundan. Las aleaciones pueden estar constituidas por elementos metálicos en estado elemental o en estado de oxidación nulo o contener algunos elementos no metálicos. Están constituidas por elementos metálicos como Fe (hierro), Al (aluminio), Cu (cobre), Pb (plomo), ejemplos concretos de una amplia gama de metales que se pueden alear. El elemento aleante puede ser no metálico, como: P (fósforo), C (carbono), Si (silicio), S (azufre), As (arsénico). Mayoritariamente las aleaciones son consideradas mezclas, al no producirse enlaces estables entre los átomos de los elementos involucrados.

Figura 3. Aleaciones más comunes.

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Características de las aleaciones. Las aleaciones presentan brillo metálico y alta conductividad eléctrica y térmica, aunque usualmente menor que los metales puros. Las propiedades físicas y químicas son, en general, similares a la de los metales, sin embargo las propiedades mecánicas tales como dureza, ductilidad, tenacidad y otras pueden ser muy diferentes, de ahí el interés que despiertan estos materiales. Las aleaciones no tienen una temperatura de fusión única, dependiendo de la concentración, cada metal puro funde a una temperatura, coexistiendo simultáneamente la fase líquida y fase sólida como se puede apreciar en los diagramas de fase. Hay ciertas concentraciones específicas de cada aleación para las cuales la temperatura de fusión se unifica. Esa concentración y la aleación obtenida reciben el nombre de eutéctica, y presenta un punto de fusión más bajo que los puntos de fusión de los componentes.

Figura 4. Diagrama de fases Plomo-Estaño. En el Diagrama se puede observar claramente el punto eutéctico, único lugar donde la mezcla se comporta como un metal puro, característico de las aleaciones.

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Tipos de aleaciones. Las aleaciones generalmente se clasifican tomando en cuenta los elementos que se encuentran presentes en mayor proporción, los cuales, serán denominados como componentes base. Los elementos que se encuentran en menor proporción serán considerados como componentes secundarios o traza. Pero en general, las aleaciones se pueden clasificar en dos grandes grupos:  

Aleaciones ferrosas Aleaciones no ferrosas

Aleaciones más comunes utilizadas en la industria:    

       

Acero: es aleación de hierro con una cantidad de carbono variable en peso y composición. Alnico: formada principalmente de cobalto, aluminio y níquel, aunque también puede contener cobre, titanio y el resto de hierro. Alpaca: es una aleación ternaria compuesta por zinc, cobre y níquel. Bronce: es toda aleación metálica de cobre y estaño en la que el primero constituye su base y el segundo aparece en una proporción del 3 al 20 por ciento. Constantán: aleación formada por cobre y níquel. Magal: es una aleación de magnesio, al que se añade aluminio, zinc y manganeso. Magnam: es una aleación de magnesio que se le añade manganeso, aluminio y zinc. Nicrom: es una aleación compuesta de níquel y cromo. Nitinol: es una aleación de níquel y titanio. Oro blanco: es una aleación de oro y algún otro metal blanco, como la plata, paladio, o níquel. Peltre: es una aleación compuesta por estaño, cobre, antimonio y plomo. Zamak: es una aleación de zinc con aluminio, magnesio y cobre.

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Figura 5. Válvula de retención de Bronce, aleación bastante usada en piezas de distribución de agua, riego y grifería.

Figura 6. Alambre de Nicrom, usado para hacer bobinas para calentamiento o elementos para uso doméstico industrial.

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Aleaciones Ferrosas Las aleaciones ferrosas son aquellas que tienen al hierro como su principal metal de aleación, mientras que las aleaciones no ferrosas tienen un metal distinto del hierro. Los aceros, que son aleaciones ferrosas, son las más importantes principalmente por su costo relativamente bajo y la variedad de aplicaciones por sus propiedades mecánicas. Las propiedades mecánicas de los aceros al carbono pueden variar considerablemente por trabajo en frío y recocido. Cuando el contenido de carbono de los aceros se incrementa por encima de 0.3%, pueden ser tratados térmicamente por temple y revenido para conseguir resistencia con una razonable ductilidad. Los elementos de aleación tales como el níquel, cromo y molibdeno se añaden a los aceros al carbono para producir aceros de baja aleación. Los aceros de baja aleación presentan buena combinación de alta resistencia y tenacidad, y son de aplicación común en la industria de automóviles para usos como engranajes y ejes. El principal aleante de las aleaciones ferrosas es el carbono (C). Por lo que se clasifican según el contenido en carbono. Los aceros tienen entre un 0,05 y un 2% de contenido en C. Mientras que las fundiciones tienen entre un 2 y un 4,5 %. A su vez, los aceros se clasifican en aceros de baja aleación o de alta aleación según el contenido en otros aleantes (Cr, Ni, Co, W, Mo). Los de alta aleación tienen más de un 5% en otros aleantes y los de baja aleación menos de un 5%.

Clasificación de las aleaciones Ferrosas 

Los aceros de alta aleación son:

1. Los inoxidables, que contienen un 11% de contenido en Cr que facilita que el Fe no se oxide. También pueden contener Ni o Co. 2. Aceros de herramientas, que contienen W, Mo, Cr. Aleantes muy duros que permiten cortar, mecanizar o dar forma a otro material. 3. Superaleaciones, que contienen muchos metales diferentes: Fe, Ni, Co, Cr. 9

Figura 7. Cuchilla de Torno. Se necesitan materiales de alta resistencia para trabajos como este, de allí existen los aceros para herramientas.

Figura 8. Turbina a gas. Para la fabricación de los álabes de las turbinas, se necesitan materiales con propiedades muy especiales que no poseen las aleaciones comunes, de allí la necesidad de crear nuevos materiales llamados superaleaciones.



Los aceros de baja aleación se clasifican en función del porcentaje en C (aceros al carbono):

1. Bajo en C, si tiene menos de un 0,25% 2. Medio en C, si tiene entre un 0,25 y un 0,6% de C. 3. Alto en C, si tiene entre un 0,6 y un 1,4%.

Figura 9. Los aceros al carbono son muy usados en la ingeniería de perfiles estructurales, como en vigas y tubos. 10



Por otro lado, las fundiciones se clasifican en función del porcentaje de C y de Si (acero colado):

1. Fundición gris, tiene entre 2,5 y 4% C y entre un 1 y un 3% de Si. 2. Fundición dúctil o esferoidal, es la fundición gris pero con Mg o Ca 3. Fundición blanca, menos de un 2,5% de C y menos de 1% de Si. 4. Fundición maleable, que se obtiene modificando la fundición blanca por tratamiento térmico. 

Otros tipos de fundiciones especiales son:

1. Fundición gris austenitica: para resistir altas temperaturas y atmosferas corrosivas 2. Fundición gris o blanca martensitica: Para resistencia al desgaste a altas presiones de contacto y resistencia a la abrasión. 3. Fundición gris acicular: Para resistencia a los esfuerzos alternados. 4. Fundición gris a alto silicio: Resistencia a la oxidación a altas temperaturas y a la corrosión de los ácidos H2SO4 y HNO3 5. Fundición blanca al alto cromo: Resistencia excepcional a los ácidos H2SO4 y HNO3.

Figura 10. Las fundiciones pueden ser usadas en elementos de máquinas que requieran de excepcional dureza, y que su fabricación se limite a fundir dicho material para el moldeo de las piezas. 11

El Hierro. Materia prima y obtención La producción del hierro y del acero empieza con las menas de hierro y otros materiales requeridos (mena = mineral metalífero, principalmente el de hierro, tal como se extrae del yacimiento y antes de limpiarlo). La mena principal usada en la producción de hierro y acero es la hematita (Fe2O3), otras menas incluyen la magnetita (Fe304), la siderita (FeCO3) y la limonita (Fe2O3 - XH2O) donde x vale alrededor de 1.5). Las menas de hierro contienen de un 50 a un 70% de hierro, dependiendo de su concentración; la hematita contiene casi 70% de hierro. Además, hoy se usa ampliamente la chatarra como materia prima para la fabricación de hierro y acero. Las otras materias primas que se necesitan para reducir el hierro de sus menas, son el coque y la piedra caliza. El coque es un combustible de alto carbono, producido por el calentamiento de carbón bituminoso en una atmósfera con bajo contenido de oxígeno durante varias horas, seguido de una aspersión de agua en torres especiales de enfriamiento. La coquificación del carbón mineral deja, como subproducto, gas de alto poder calorífico, que es utilizado como combustible en los diversos procesos subsiguientes. El coque desempeña dos funciones en el proceso de reducción: 1) Es un combustible que proporciona calor para la reacción química. 2) Produce monóxido de carbono (CO) para reducir las menas de hierro. La piedra caliza es una roca que contiene altas proporciones de carbonato de calcio (CaCO3). Esta piedra caliza se usa en el proceso como un fundente que reacciona con las impurezas presentes y las remueve del hierro fundido como escoria. Producción del hierro. Para producir hierro, se alimenta por la parte superior de un alto horno una carga con capas alternadas de coque, piedra caliza y mineral de menas de hierro. Un alto horno es virtualmente una planta química que reduce continuamente el hierro del mineral. Químicamente desprende el oxígeno del óxido de hierro existente en el mineral para liberar el hierro. Está formado por un recipiente cilíndrico de acero forrado con un material no metálico y resistente al calor, como ladrillos 12

refractarios y placas refrigerantes. El diámetro del recipiente cilíndrico de 9 a 15 m (30 a 50 pies) disminuye hacia arriba y hacia abajo, y es máximo en un punto situado aproximadamente a una cuarta parte de su altura total de 40 m (125 pies). La parte inferior del horno está dotada de varias aberturas tubulares llamadas toberas, por donde se fuerza el paso del aire. Cerca del fondo se encuentra un orificio por el que fluye el arrabio cuando se sangra (o vacía) el alto horno. Encima de ese orificio, pero debajo de las toberas, hay otro agujero para retirar la escoria. La parte superior del horno, contiene respiraderos para los gases de escape, y un par de tolvas redondas, cerradas por válvulas en forma de campana, por las que se introduce la carga en el horno. Los materiales se llevan hasta las tolvas en pequeñas vagonetas o cucharas que se suben por un elevador inclinado situado en el exterior del horno. Desde la parte baja de la cámara se inyecta por toberas una corriente de gases y aire precalentados a 900 °C a gran velocidad para realizar la combustión y la reducción del hierro efectuándose la combustión completa del coque que adquiere temperaturas máximas entre 1700 a 1800 °C. Los gases calientes (CO, H2, CO2, H2O, N2, O2 y los combustibles) realizan la combustión del coque conforme pasan hacia arriba, a través de la carga de materiales. El monóxido de carbono se suministra como un gas caliente, pero también se forma adicionalmente por la combustión del coque. El gas CO tiene un efecto reductor sobre las menas de hierro. El hierro fundido de primera fusión, o arrabio se vacía periódicamente en carros cuchara o carros torpedo con los cuales se llenan lingoteras o bien se conducen a mezcladoras calientes donde se almacenan y se mezclan con otras fundiciones para curarse posteriormente en algún proceso de obtención del acero (refinación de arrabio). Los lingotes se someten a una operación de enfriamiento para convertirse mediante procesos metalúrgicos posteriores, en: hierro fundido de segunda fusión, hierro dulce, hierro maleable o bien acero. Los altos hornos funcionan de forma continua. La materia prima que se va a introducir en el horno se divide en un determinado número de pequeñas cargas que se introducen a intervalos de entre 10 y 15 minutos. La escoria que flota sobre el metal fundido se retira una vez cada dos horas, y el arrabio se sangra cinco veces al día.

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La piedra caliza se combina con la sílice (SiO2) presente en el mineral (la sílice no se funde a la temperatura del horno) para formar silicato de calcio (CaSiO4), de menor punto de fusión. Si no se agregara la caliza, entonces se formaría silicato de hierro (Fe2SiO4), con lo que se perdería el hierro metálico, allí está la importancia de la piedra caliza. La cal se combina con impurezas tales como sílice (SiO2), azufre (S) y aluminio (Al2O3) para formar silicatos de calcio y de aluminio, en reacciones que producen una escoria fundida que flota encima del hierro. El arrabio o hierro de primera fusión no se puede utilizar directamente en la industria por ser muy quebradizo debido a sus impurezas y poca resistencia contiene excesivo carbón, de 2.2% a 4.5%, además de cantidades de silicio, magnesio, fósforo cuyos contenidos son muy variables.

Figura 11. El hierro fundido escurre hacia abajo, acumulándose en la base del alto horno.

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Figura 12. Corte transversal de la operación general de un alto horno moderno.

Figura 13. Altos hornos. Es interesante hacer notar que se requieren aproximadamente siete toneladas de materia prima para producir una tonelada de hierro.

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Obtención del acero El Acero es básicamente una aleación o combinación de hierro y carbono (alrededor de 0,05% hasta menos de un 2%). Algunas veces otros elementos de aleación específicos tales como el Cr (Cromo) o Ni (Níquel) se agregan con propósitos determinados. Ya que el acero es básicamente hierro altamente refinado (más de un 98%), su fabricación comienza con la reducción de hierro (producción de arrabio) el cual se convierte más tarde en acero. El hierro puro es uno de los elementos del acero, por lo tanto, consiste solamente de un tipo de átomos. No se encuentra libre en la naturaleza ya que químicamente reacciona con facilidad con el oxígeno del aire para formar óxido de hierro - herrumbre. El óxido se encuentra en cantidades significativas en el mineral de hierro, el cual es una concentración de óxido de hierro con impurezas y materiales térreos. En la actualidad, los productos ferrosos se obtienen casi en su totalidad, de dos maneras, dependiendo de la materia prima empleada. Y son: 1) Alto Horno: o Transformación de arabio en acero (CONVERTIDOR). El arabio posee un exceso de impurezas (azufre, fósforo…), que lo hace demasiado frágil y poco adecuado para la fabricación de piezas. Estas impurezas se quitan con hornos de afino. El horno más utilizado en el afino es el convertidor o procedimiento LD. o Materia que utiliza el convertidor LD: 1. Arabio líquido (con pequeñas cantidades de chatarra). 2. Fundente, 3. Ferroaleaciones que mejoran las propiedades del acero.

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o 1. 2. 3.

Características del horno convertidor: Recubierto con materiales refractarios por dentro. La producción por hornada suele ser de unas 300 toneladas. Cada hornada suele durar una hora.

o Funcionamiento:

Figura 17. Funcionamiento de horno convertidor.

2) Obtención de acero a través de chatarra. En la actualidad el único horno que se utiliza para sacar acero de la chatarra es el horno eléctrico.

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o Sus partes son las siguientes: Transformador eléctrico: convierte el voltaje a 900 V y transforma la corriente eléctrica alterna en corriente continua. Cables flexibles: conducen la electricidad hasta los electrones. Brazos de los electrodos: Permiten que los electrodos se acerquen o alejen de la chatarra para que salte el arco eléctrico. Sujeción de electrodos. Pórtico con brazos eléctricos: Permite quitar y poner la tapadera del horno eléctrico para introducir la chatarra. Salida de humos refrigerada: Conduce los humos a un filtro y los expulsa. Estructura oscilante: Permite inclinar el horno para extraer el acero fundido. 17

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1. 2. 3. 4. 5.

o Materia Prima que utiliza el horno eléctrico: Chatarra seleccionada (sin cobre, plomo, aluminio, etc) Fundente (cal) Ferroaleaciones (Ni, Cr, Mo, etc.) o Las características principales del horno eléctrico son: interiormente recubierto de ladrillo. Temperaturas de hasta 3500 ºC. caben unas 100 toneladas de material. Cada hornada dura 50min aproximadamente. o Se Se Se Se Se

Funcionamiento del horno eléctrico: quita la tapadera y se introduce la chatarra y el fundente. cierra el horno y se acercan los electrodos a la chatarra. inyecta oxígeno en lo fundido para quitar material indeseable. extrae la escoria y se quita el horno. hecha por el otro lado y se lleva al centro de moldeado.

Figura 18. Horno eléctrico esquematizado.

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Clasificación de los Aceros Los diferentes tipos de acero se clasifican de acuerdo a los elementos de aleación que producen distintos efectos en el Acero: Acero al carbono. Más del 90% de todos los aceros son aceros al carbono. Estos aceros contienen diversas cantidades de carbono y menos del 1,65% de manganeso, el 0,60% de silicio y el 0,60% de cobre. Entre los productos fabricados con aceros al carbono figuran máquinas, carrocerías de automóvil, la mayor parte de las estructuras de construcción de acero, cascos de buques, somieres y horquillas. Una parte importante del acero producido se dirige a la construcción de estructuras. Aceros aleados. Estos aceros contienen una proporción determinada de vanadio, molibdeno y otros elementos, además de cantidades mayores de manganeso, silicio y cobre que los aceros al carbono normales. Estos aceros de aleación se pueden sub clasificar en:  Aceros estructurales: Son aquellos aceros que se emplean para diversas partes de máquinas, tales como engranajes, ejes y palancas. Además, se utilizan en las estructuras de edificios, construcción de chasis de automóviles, puentes, barcos y semejantes. El contenido de la aleación varía desde 0,25% a un 6%.

Figura 19. Vigas de acero utilizadas en la construcción.

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Aceros para herramientas: Aceros de alta calidad que se emplean en herramientas para cortar y modelar metales y no-metales. Por lo tanto, son materiales empleados para cortar y construir herramientas tales como taladros, escariadores, fresas, terrajas y machos de roscar.

Figura 20. Diferentes piezas de herramientas en los que se emplean los aceros para herramientas.

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Aceros especiales: Los Aceros de Aleación especiales son los aceros inoxidables y aquellos con un contenido de cromo generalmente superior al 12%. Estos aceros de gran dureza y alta resistencia a las altas temperaturas y a la corrosión, se emplean en turbinas de vapor, engranajes, ejes y rodamientos.

Figura 21. Cigüeñal de motor de automóvil fabricado de una aleación de acero especial, donde se requiere resistencia a altas temperaturas.

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Aceros inoxidables.

Los aceros inoxidables contienen cromo, níquel y otros elementos de aleación, que los mantienen brillantes y resistentes a la herrumbre y oxidación a pesar de la acción de la humedad o de ácidos y gases corrosivos. Algunos aceros inoxidables son muy duros; otros son muy resistentes y mantienen esa resistencia durante largos periodos a temperaturas extremas. Debido a sus superficies brillantes, en arquitectura se emplean muchas veces con fines decorativos. El acero inoxidable se utiliza para las tuberías y tanques de refinerías de petróleo o plantas químicas, para los fuselajes de los aviones o para cápsulas espaciales. También se usa para fabricar instrumentos y equipos quirúrgicos, o para fijar o sustituir huesos rotos, ya que resiste a la acción de los fluidos corporales. En cocinas y zonas de preparación de alimentos los utensilios son a menudo de acero inoxidable, ya que no oscurece los alimentos y pueden limpiarse con facilidad.

Figura 22. Pernos fabricados con acero inoxidable para mayor durabilidad.

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Identificación de los aceros El AISI (American Iron and Steel Institute) y el SAE (Society of Automotive Engineers) tienen sistemas para clasificar los aceros utilizando un número de cuatro o cinco dígitos. Los dos primeros números ser refieren a los principales elementos de aleación presentes y los últimos dos o tres se refieren al porcentaje de carbono. Un acero AISI 1040 es al bajo carbono, con 0,40% C. Un acero SAE 10120 es al bajo carbono, conteniendo 1,20% C. Un acero AISI 4340 es aleado y contiene 0,40% C.

Figura 14. Clasificación de los tipos de aceros según su composición, y su nomenclatura según las normas AISI-SAE.

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Figura 15. Designación de los diferentes tipos de aleaciones ferrosas según las normas AISI-SAE.

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Fundiciones ferrosas Son básicamente aleaciones de hierro y carbono. Las fundiciones de hierro, contienen más carbono del necesario para saturar la Austenita a temperatura eutéctica y por lo tanto contienen entre 2 y 6,67%. Como el alto contenido de carbono tiene a hacer muy frágil al hierro fundido, la mayoría del material fabricado contiene entre 2,5 y 4% de C. La ductilidad del hierro fundido es baja, lo que hace que no siempre pueda trabajarse ni en frío ni en caliente. Sin embargo, es relativamente sencillo de fundir y colar sobre moldes de formas complejas. Aunque son frágiles y sus propiedades mecánicas son inferiores a las de los aceros, su costo bajo, su fácil colado y sus propiedades específicas los hacen uno de los productos de mayor tonelaje de producción en el mundo. Las fundiciones llamadas de primera fusión, tienen la siguiente composición: C 2,5 - 4,5

Si 0,5 - 4,5

Mn 0,5 - 0,8

P 0,1 - 2

S < 0,15

Tipos de hierro fundido. El mejor método de clasificación es de acuerdo a su estructura metalográfica. Las variables a considerar son: el contenido de carbono, los aleantes, las impurezas, la velocidad de enfriamiento y el tratamiento térmico. Estas variables controlan la condición y forma del carbono en la estructura. El carbono se puede presentar en forma libre (grafito) o combinada (Cementita). La forma y distribución del carbono influirá grandemente en las propiedades físicas de la fundición. Se pueden clasificar en: - Fundición blanca: donde todo el carbono se encuentra combinado. - Fundición Gris: la mayor parte del carbono se encuentra sin combinar en forma de grafito. 24

- Fundición Maleable: Carbono mayormente sin combinar en forma de nódulos irregulares o carbono revenido. - Fundición nodular: Mediante aleantes especiales, el grafito forma esferoides compactos. - Fundición especial: Las propiedades y estructura de las anteriores se modifica por el agregado de aleantes.

Figura 16. Bloque motor. Debido a su gran dureza, la fundición es muy usada en los motores de la industria automotriz, donde existen altas temperaturas en la que muchos materiales pueden ceder.

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Aleaciones no ferrosas Son aleaciones que no contienen fierro, o contienen cantidades relativamente pequeñas de hierro, algunos ejemplos, aluminio, cobre, zinc, estaño y níquel. Sus propiedades son lata resistencia a la corrosión, elevada conductividad eléctrica y térmica, baja densidad y facilidad de producción.

Figura 23. Algunas aleaciones no ferrosas muy usadas en la industria.

Aleaciones de cobre Existen más de 400 aleaciones de cobre, cada una con una combinación única de propiedades, que se adaptan a un gran número de aplicaciones, procesos de fabricación y entornos. El cobre tiene numerosas aleaciones, las más conocidas son el latón y el bronce. Las aleaciones de cobre son más resistentes y duras que el cobre puro, y pueden mejorar sus propiedades mecánicas, tales que la resistencia a la corrosión de la mayoría de las aleaciones es superior a la del cobre comercial. En general estas aleaciones se mecanizan mucho más fáciles. 

Latón: es la aleación de cobre y cinc. El latón es más duro que el cobre, es dúctil y puede forjase en planchas finas. Su maleabilidad varía según la composición y la temperatura, y es distinta si se mezcla con otros metales, incluso en cantidades mínimas. Algunos tipos de latones son maleables únicamente en frió, otros son en caliente, y algunos no lo son en ninguna temperatura. Todos estos tipos de aleaciones se vuelven quebradizas cuando se calientan a una temperatura próxima al punto de fusión.

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Figura 24. Los coples de Latón, Conexiones y Adaptadores, son componentes que se fabrican con éste material debido a su gran resistencia a la corrosión.



Bronce: cualquiera delas distintas aleaciones compuestas sobre todo de cobre y estaño. Los componentes del bronce varían; así, cuando contiene al menos un 10% de estaño, la aleación es dura y tiene un punto de fusiona bajo. El bronce es más resistente y duro que cualquier otra aleación común, excepto el acero.

Fig. 25. Cojinete especial fabricado de bronce.



Bronce fosforoso: el fósforo se añade al bronce que contiene desde 1,5% a 10% de estaño, durante la fusión y el colado para fines desoxidantes. El fósforo aumenta la fluidez del metal fundido, por lo tanto, aumenta la facilidad de colarlo en piezas finas y ayuda a obtener piezas coladas más sanas. Aumenta la dureza y resistencia al desgaste.



Bronce al plomo: el plomo no se alea con el cobre, pero puede mezclarse con él por agitación o mezcla mecánica mientras se halla en el estado líquido y se cuela en moldes, dando como resultado que el plomo quede bien distribuido en toda la pieza en forma de partículas pequeñas. El plomo se añade al bronce con el fin de aumentarla facilidad de mecanizado, y actúa como un autolubricante en piezas que están sometidas a desgaste por deslizamiento. Las partículas de plomo reducen el coeficiente de rozamiento de la aleación. 27



Bronce al manganeso: es latón de 60% de cobre, 40% de cinc y manganeso hasta 3.5%.



Bronces al níquel: la adición de níquel al bronce y latón mejora sus propiedades mecánicas y se emplea para aumentar la dureza y resistencia al desgaste de los ronces.



Bronce al silicio: contiene de 1 a 4% de silicio, el cual se añade para mejorar las características de endurecimiento por el trabajo en frio. Bronce al aluminio: Con estas aleaciones se consiguen materiales dúctiles y maleables (latones), buena conductividad eléctrica, resistencia a ciertas corrosiones, sonoridad (bronces de campana), color (monedas y objetos decorativos). Por estos motivos el cobre es tan utilizado.



Las aleaciones de cobre se clasifican de acuerdo a un sistema de designación que comprende los números C10100 al C79900 para las aleaciones conformables y los números C80000 al C99900 para designar las aleaciones de fundición. Las normas ASTM B 601, "Standard Practice for Temper Designations for Copper and Copper Alloys--Wrought and Cast" establece un código alfa-numérico que se relaciona con cada estado de entrega (temper), por ejemplo: el código alfa-numérico TB00 es la siguiente condición del material (o temper) : “tratado en solución o solubilizado para cualquier aleación que endurezca por precipitación”.

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Aleaciones de aluminio El aluminio es uno de los principales componentes de la corteza terrestre conocida, de la que forma parte en una proporción del 8,13%, superior a la del hierro, que se supone es de un 5%, y solamente superada entre los metales por el silicio (26,5%). El aluminio no se encuentra puro en la naturaleza, sino formando parte de los minerales, de los cuales los más importantes son las bauxitas, que están formadas por un 62-65% de alúmina (Al2O3), hasta un 28% de óxido de hierro (Fe2O3), 12-30% de agua de hidratación (H2O) y hasta un 8% de sílice (SiO2). 

Aleación de aluminio-cobre:

La solubilidad del cobre en el aluminio varía del 0,45% a 300ºC, hasta 5,7% a 547ºC, lo que se utiliza para el temple de precipitación a que puede ser sometidas estas aleaciones. El cobre endurece mucho el aluminio, por lo que estas aleaciones poseen propiedades mecánicas excepcionales, pero mantienen la buena maquinabilidad y ligereza que posee el aluminio. En general, estas aleaciones, se caracterizan por una buena resistencia al calor y una menor resistencia a los agentes atmosféricos que las aleaciones sin cobre. Estas aleaciones no pueden ser soldadas más que por técnicas particulares como por ejemplo la soldadura por haz de electrones. Comúnmente son denominadas Cobral. 

Aleaciones de aluminio-cinc:

En estas aleaciones figura el cinc con un porcentaje máximo del 20%. Como no se forman compuestos químicos no puede aplicarse a estas aleaciones el temple de precipitación. Las aleaciones de cinc son más baratas que las de cobre a igualdad de propiedades mecánicas, pero menos resistentes a la corrosión y más pesadas. Comúnmente son denominadas Zincal. 

Aleaciones aluminio-magnesio:

Estas aleaciones contienen magnesio en proporciones inferiores al 10% de Mg. En general, el magnesio va asociado a otros elementos como el cobre, silicio, cinc, etc,..., es decir, formando aleaciones ternarias, en las que el magnesio figura con proporciones del 0,1 al 1%. Pongamos, por ejemplo, la aleación conocida como Simagal (Aluminio29

Magnesio-Silicio). Los elementos de adicción de esta familia son el Magnesio y el Silicio. Estas aleaciones presentan características mecánicas medias. Ofrecen una buena aptitud a la deformación en frío en estado reconocido, así como su buen comportamiento ante los agentes atmosféricos y su buena aptitud a la soldadura. Esta familia está formada por dos grupos de aleaciones. El primero constituido por las aleaciones más cargadas en Mg y Si con adicciones de Mn, Cr, Zn, presenta las características más elevadas, destinadas a aplicaciones estructurales (armazones, pilares, puentes, flechas de grúa, etc.). El segundo grupo constituido por aleaciones menos cargadas en Mg y Si, ofrece una gran velocidad de extrusión asociada a características menos elevadas. Están especialmente destinadas a la decoración, amueblamiento y la edificación (puertas, ventanas, etc.).

Figura 26. Culata de motor de aleación de aluminio fundido.

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Aleaciones de titanio El titanio proporciona excelente resistencia a la corrosión, alta relación resistencia-peso y propiedades favorables a temperaturas altas. Resistencia hasta de 200,000 psi aunadas a una densidad de 4,505 g/cm^3 proporcionan las excelentes propiedades mecánicas, mientras que una capa protectora adherente de TiO2 confiere una excelente resistencia a la corrosión y a la contaminación por debajo de 535ºC. A más de 535ºC, la capa de óxido se desintegra y átomos pequeños como los de carbono, oxígeno, nitrógeno e hidrógeno al difundirse hacia el sólido, fragilizan al titanio. En consecuencias, se debe tener especial cuidado durante la fundición, la soldadura o la forja, de evitar la contaminación por estos elementos. El titanio es alotrópico con una estructura CC(B) por arriba de 882ºC. Los elementos de aleación combinan la temperatura de transformación alotrópica y pueden dividirse en cuatro grupos. Ciertas adiciones como las de estaño producen un endurecimiento por solución sólida sin afectar la temperatura de transformación. El aluminio, el oxígeno, el hidrógeno y otros elementos alfa estabilizadores incrementan la temperatura a la cual alfa se transforma en beta. Los beta-estabilizadores, como el vanadio, el tantalio, el molibdeno y el niobio abaten la temperatura de transformación, causando incluso que la fase beta sea estable a temperatura ambiente. Finalmente, el manganeso, el cromo y el hierro producen una reacción eutectoide, reduciendo la temperatura a la cual ocurre la transformación alfa-beta, y produciendo una estructura difásica a temperatura ambiente. Hay varias categorías para el titanio y sus aleaciones, las cuales se resumen en la tabla 10-10. Titanio comercialmente puro. Este metal es relativamente débil, pierde su resistencia a temperaturas elevadas, pero tiene una gran resistencia a la corrosión. Las aplicaciones incluyen cambiadores de calor, tuberías, reactores, bombas y válvulas, para las industrias químicas y petroquímica. Aleaciones de titanio alfa. Las aleaciones usuales totalmente alfa contienen 5% de Al y 2,5% de Sn, ambos endurecedores de alfa por solución. Estas aleaciones tienen adecuada resistencia a la corrosión y a la oxidación, mantienen bien su resistencia a elevadas temperaturas, 31

tienen conveniente soldabilidad y normalmente poseen aceptable ductilidad y conformabilidad a pesar de su estructura HC. Las aleaciones alfa se recuecen a temperaturas elevadas en la región beta y luego se enfrían. El enfriamiento rápido proporciona una estructura alfa de grano acicular fino, en tanto que un enfriamiento en horno proporciona una estructura de placas. Aleaciones de titanio beta. Aunque las adiciones excesivas de vanadio o molibdeno producen una estructura totalmente beta a temperatura ambiente, ninguna de las llamadas aleaciones beta está realmente aleadas a tal grado. En lugar de esto, abundan en estabilizadores de beta, de modo que el enfriamiento rápido produce una estructura meta-estable compuesta en su totalidad de beta. En la condición recocida, donde sólo existe beta en la microestructura, la resistencia proviene del endurecimiento por solución sólida. Las aleaciones también pueden ser envejecidas para producir resistencias mayores. Sus aplicaciones incluyen los sujetadores de alta resistencia, vigas y otros elementos para su uso aeroespacial. Aleaciones de titanio alfa-beta. Las aleaciones alfa-beta pueden tratarse térmicamente para obtener altas resistencias. La aleación es tratada por solución cerca de la temperatura beta-transus (o de transición de la fase beta), Figura 10-10, lo que permite la persistencia de una pequeña cantidad de alfa para evitar el crecimiento de grano. Después, la aleación es enfriada rápidamente para formar una solución sólida sobre saturada metaestable beta' o martensita de titanio alfa' . Luego la aleación es envejecida o revenida alrededor de 500°C. Durante el envejecimiento las fases alfa y beta finalmente dispersas y el precipitado de la fase beta' o alfa’, incrementa la resistencia de la aleación. Normalmente, la martensita de titanio se forma en las aleaciones alfa-beta con menos porcentaje de elementos aleantes, mientras que la beta sobresaturada es retenida más fácilmente en las aleaciones más cercanas a las aleaciones enteramente de fase beta. La martensita de titanio tiene típicamente una apariencia acicular. Durante el envejecimiento, la fase alfa se precipita en una estructura Widmanstatten que mejora las propiedades a la tensión así como la tenacidad de la aleación. Las componentes para estructuras 32

aeroespaciales, motores a reacción y trenes de aterrizajes son aplicaciones típicas de las aleaciones alfa-beta tratadas termicamente. La aleación Ti-6% Al-4% V es la soldadura simultanea por difusión, se pueden fabricar elementos complicados.

Figura 27. Diagramas de fase de algunas aleaciones de Titanio.

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Aleaciones de Magnesio El magnesio es un metal ligero, con una densidad de 1.74 g/cm3, que compite con el aluminio para aplicaciones que requieren metales de baja densidad, a pesar de su mayor precio, alrededor del doble. Sin embargo, el magnesio y sus aleaciones muestran una serie de desventajas que limitan su utilización. Por una parte la reactividad del magnesio es elevada y sin embargo la estabilidad de sus óxidos es pobre por lo que su resistencia a corrosión es pequeña, sus características mecánicas son del orden de las correspondientes a las aleaciones de aluminio incluso de forma específica, y muestran pobres resistencia a termofluencia, fatiga y desgaste. Además, resultan aleaciones de difícil colabilidad y que en estado fundido arde en contacto con el aire, y su transformación en frío resulta igualmente difícil al cristalizar el Mg en una estructura hexagonal compacta que no favorece precisamente su deformación. No obstante tiene amplias aplicaciones en la ingeniería aeronáutica y aeroespacial. El magnesio tiene el punto de fusión en 651°C, y cristaliza como se ha comentado anteriormente en el sistema hexagonal compacto, por lo que es preferible realizar la conformación de sus aleaciones en caliente. Las aleaciones de Mg se dividen fundamentalmente en dos tipos: aleaciones de forja y aleaciones de fundición. En ambos tipos las aleaciones pueden mejorarse mecánicamente por tratamientos de deformación y tratamientos térmicos de envejecimiento. Las aleaciones de fundición suelen incorporar Al y Zn, ya que estos elementos contribuyen a un endurecimiento por solución sólida. La introducción de tierras raras, principalmente cerio, en su composición forma precipitados del tipo Mg9R, que durante la solidificación precipitan en borde de grano formando una fina red frágil. Las aleaciones de forja, incorporan igualmente Al y Zn como principales elementos de aleación, que además de endurecer el material por solución sólida lo hacen por precipitación de compuestos del tipo Mg17Al12 en los tratamientos de envejecimiento de estas aleaciones. El torio y el circonio también forman, con el magnesio, precipitados endurecedores que estabilizan las características de la aleación a elevadas temperaturas, alrededor de los 425°C. 34

Figura 28. Propiedades mecánicas y aplicaciones de algunas aleaciones comerciales de magnesio.

Figura 29. Diagrama de fases Magnesio-Aluminio.

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Aleaciones de níquel El níquel y sus aleaciones pueden clasificarse en los siguientes grupos: 

Níquel: puede ser puro, electrolítico (99.56% Ni), níquel carbonilo en polvo y comprimidos (99.95%Ni). También pude ser níquel forjado comercialmente puro (de 99.6 a 99.97% de Ni); y ánodos (99.3%Ni). En estas aleaciones se encuentran el Permaniquel y el Duraniquel. La resistencia a la corrosión del níquel lo hace particularmente útil para conservar la pureza de los productos en el manejo de alimentos, fibras sintéticas álcalis cáusticos, así como en aplicaciones estructurales, cuando es fundamental dicha estructura.

Otras características dela aleación son sus propiedades magnéticas y magnetoestrictivas, sus elevadas conductividades térmicas y eléctricas, su bajo contenido de gas, y su baja presión de vapor. 

Níquel y cobre: en esta aleación hay bajo níquel (2 a 13% Ni), cuproníqueles (de 10 a 30% Ni), aleaciones para monedas (25% Ni), aleaciones de resistencia eléctrica controlada (45% Ni), aleaciones no magnéticas (hasta 60% Ni), y aleaciones de alto níquel, metal monel (más de 50% Ni). A estas aleaciones se la denominan Monel, se caracterizan por tener elevada resistencia mecánica, soldabilidad, excelente resistencia a la corrosión, y tenacidad en un amplio intervalo de temperatura. Tienen un excelente rendimiento en la exposición al agua de mar o salobre en condiciones de alta velocidad.

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Níquel y hierro: aleaciones de aceros forjados (de 0.5 a 9% Ni), aceros de aleación colados (de 0.5 a 9% Ni), hierros colados de aleación ( de 1 a 6 y de 14 a 36% Ni), aleaciones magnéticas ( de 20 a 90% Ni), aleaciones no magnéticas (10 a 20% Ni), aceros revestidos de acero inoxidable ( de 5 a 49% Ni), superaleaciones en base de hierro (de 0.2 a 9% Ni), y aleaciones de dilatación térmica controlada, de bajo coeficiente (de 36 a 50% Ni), de dilatación seleccionada (de 22 a 50% Ni). Estas aleaciones son denominadas como Nilo 42, Ni-Span- C 902, y una serie de Incoloy. Estas aleaciones tienen bajo coeficiente de dilatación térmica, que pertenece virtualmente a una temperatura menor que la de Curie para cada aleación. 36

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Hierro, níquel y cromo: son aleaciones resistentes al calor (de 40 a 85% Ni), aleaciones de resistencia eléctrica controlada (de 35 a 60% Ni), superaleaciones a base de hierro (de 9 a 26% Ni), aceros inoxidables (de 2 a 25% Ni), superaleaciones en base de hierro (de 0.2 a 9% Ni), y aceros martensitico de alto níquel (18% Ni).

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Níquel, cromo, molibdeno y hierro: se utiliza para aleaciones reforzadas por solucione en base de níquel (de 40 a 80% Ni), y para aleaciones reforzadas por precipitación en base de níquel (de 40 a 90% Ni). Esta aleaciones recibe los nombres de Hastelloy, Inconel, MAR-M- 252, Rene' , Astroloy Udimet, y Waspaloy. Estas aleaciones se crearon principalmente para el servicio en ambientes altamente corrosivos, muchas de ellas poseen buena resistencia a la oxidación, y algunas tienen una resistencia mecánica útil hasta 1093 grados centígrados.

Figura 30. Algunas aleaciones de Níquel especiales utilizadas en la ingeniería. 37

Superaleaciones Metales especialmente diseñados para requerimientos exigentes. Las Superaleaciones ofrecen una excelente resistencia mecánica, además de brindar una gran resistencia a altas temperaturas, estabilidad y una gran resistencia a la corrosión y la oxidación. Principalmente es usado para el sector aeroespacial, así como válvulas bi-metálicas, por donde circulan ácidos altamente corrosivos. Las superaleaciones típicamente tienen una estructura austenítica de cristales cúbicos de caratula centrada y su base es de aleaciones que contienen elementos como níquel, cobalto, o níquel-hierro. Algunos ejemplos de Superaleaciones son Hastelloy, Inconel, Waspaloy, entre otras. Otra característica importante de las superaleaciones es la resistencia a la fatiga, es por ello que se usa en gran medida a la industria aeroespacial. Las superaleaciones pueden ofrecer resistencia a altas temperaturas gracias a su fortalecimiento de solución sólida. La oxidación y resistencia a la corrosión es proporcionada por la formación de un recubrimiento de barrera térmica, que se forma cuando el metal está expuesto al oxígeno y recubre el material. También se utilizan en medios corrosivos en lugar de otros materiales metálicos (por ejemplo) en lugar de acero inoxidable en ambientes de agua salada o ácido. Superaleaciones basadas en Níquel. 

Poseen una composición química compleja.

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Contienen grandes cantidades de elementos de aleación con el fin de producir una combinación de alta resistencia a altas temperaturas, a la corrosión, a las vibraciones y a la termofluencia (alta resistencia mecánica a altas temperaturas) Presentan una microestructura peculiar, causante de excelentes propiedades, con una distribución en dos fases: gamma y gamma prima.

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 Fase gamma. Solución solida centrada en las caras que actúa como matriz.  Fase gamma prima. Dispersión de precipitados ordenados intermetalicos, responsable de la gran resistencia de los Superaleaciones.

Figura 31. Prensaestopas, componente de una turbina a gas fabricada con una superaleación basada en Níquel.

Figura 32. Alabe de turbina de gas desgastada, una superaleación de níquel.

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Conclusión Las aleaciones de ingeniería se pueden subdividir convenientemente en dos tipos: ferrosas y no ferrosas. Las aleaciones ferrosas tienen al hierro como su principal componente, mientras que las aleaciones no ferrosas tienen otros metales diferentes del hierro como componentes principales. Los aceros, que son aleaciones ferrosas, son por amplio margen, las aleaciones metálicas más importantes, sobre todo por su costo relativamente bajo y su amplia gama de propiedades mecánicas. Las propiedades mecánicas de los aceros al carbono pueden modificarse considerablemente mediante el trabajo en frío y el recocido. Cuando el contenido del carbono y los aceros aumenta a más de 0.3 por ciento aproximadamente, es posible tratarlos térmicamente por templado y revenido para dotarlos de alta resistencia con un grado razonable de ductilidad. Los elementos aleados, como níquel, cromo y molibdeno, se agregan a los aceros al carbono simples para producir aceros de baja aleación. Los aceros de baja aleación tienen buenas combinaciones de alta resistencia y tenacidad y se usan extensivamente en la industria automotriz para aplicaciones como engranajes, flechas y ejes. Las aleaciones de aluminio son las más importantes de las aleaciones no ferrosas, sobre todo por su ligereza, la facilidad con que pueden trabajarse, su resistencia a la corrosión y su costo relativamente bajo. El cobre puro se usa extensivamente por su alta conductividad eléctrica, su resistencia a la corrosión, la facilidad con que es trabajado y su costo relativamente bajo. El cobre forma con el zinc aleaciones de latón que tienen mayor resistencia que el cobre puro. Los aceros inoxidables son aleaciones ferrosas importantes debido a su alta resistencia a la corrosión en ambientes oxidantes. Para que un acero sea “inoxidable” debe contener 12 por ciento de Cr por lo menos. Los hierros fundidos son otra familia de aleaciones ferrosas industrialmente importantes. Su costo es bajo y tienen propiedades especiales, como su gran facilidad para ser fundidos, su resistencia al desgaste y su durabilidad. El hierro fundido gris es altamente maquinable y tiene capacidad para amortiguar las vibraciones a causa de las escamas de grafito que hay en su estructura. Otras aleaciones no ferrosas analizadas son las aleaciones de magnesio, titanio y níquel. Las aleaciones de magnesio son excepcionalmente ligeras, tienen 40

aplicaciones en la industria aeroespacial y se usan también en el equipo de manejo de materiales. Las aleaciones de titanio son caras pero tienen una combinación de resistencia y ligereza que no se encuentra en ningún otro sistema de aleación metálica; se usan ampliamente en las partes estructurales de las aeronaves. Las aleaciones de níquel tienen alta resistencia a la corrosión y la oxidación, por lo cual se utilizan comúnmente en las industrias petroleras y de procesamiento químico. Cuando el níquel se alea con cromo y cobalto, forma el sustento de las superaleaciones a base de níquel que se necesitan en turbinas de gas para aviones jet y en ciertos equipos generadores de energía eléctrica. Hemos analizado de manera limitada la estructura, las propiedades y las aplicaciones de algunas aleaciones importantes en la ingeniería.

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Bibliografía  Fundamentos de la ciencia e Ingeniería de los Materiales. William Smith. Cuarta Edición.  Ciencia e Ingeniería de los Materiales. Donald Askeland. Cuarta Edición.  www.Wikipedia.com  www.Taringa.com

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