Unidad I: Materiales Metálicos

Introducción a los Metales

Los metales poseen ciertas propiedades físicas características, entre ellas, su excelente conductividad eléctrica. La mayoría presenta un color grisáceo, pero algunos tienen colores distintivos: el bismuto (Bi) es rosáceo, el cobre (Cu) rojizo y el oro (Au) amarillo. En otros metales, aparece más de un color, un fenómeno conocido como policromismo.

Propiedades de los Metales

• Maleabilidad: Capacidad de los metales para convertirse en láminas al ser sometidos a compresión.
• Ductilidad: Propiedad de los metales para moldearse en alambres e hilos al ser sometidos a tracción.
• Tenacidad: Resistencia de los metales a romperse al recibir fuerzas bruscas (golpes, etc.).
• Resistencia mecánica: Capacidad para resistir esfuerzos de tracción, compresión, torsión y flexión sin deformarse ni romperse.

Además, suelen ser opacos o de brillo metálico, tienen alta densidad, un punto de fusión alto, son duros y buenos conductores de calor y electricidad.

Aleaciones y Clasificación de los Metales

Los metales pueden formar aleaciones entre sí y se clasifican en:

• Ultraligeros: Densidad inferior a 2 g/cm³. Ejemplos comunes son el magnesio.
• Ligeros: Densidad inferior a 4.5 g/cm³. Ejemplos comunes son el aluminio y el titanio.
• Pesados: Densidad superior a 4.5 g/cm³. La mayoría de los metales pertenecen a esta categoría.

Presencia de los Metales en la Naturaleza

Algunos metales se encuentran en forma de elementos nativos, como el oro, la plata y el cobre, aunque no es lo más usual. Muchos se encuentran como óxidos, sulfuros o cloruros. Por ejemplo, la bauxita (Al₂O₃) y la limonita (Fe₂O₃) son óxidos. Entre los sulfuros, destacan el sulfuro de cobre (I) (Cu₂S), el sulfuro de mercurio (II) (HgS), el sulfuro de plomo (PbS) y el sulfuro de bismuto (III) (Bi₂S₃). Los metales alcalinos se extraen a partir de cloruros, como el cloruro sódico (NaCl). Algunos metales alcalinotérreos, como el calcio, el estroncio y el bario, se obtienen a partir de carbonatos.

Usos Industriales de Metales Específicos

Metales como el antimonio, el cadmio y el litio tienen usos especiales. Los pigmentos de cadmio se usan por su estabilidad y como protección contra la corrosión. El litio se emplea en cerámica, cristales y baterías. El níquel se usa para niquelar objetos metálicos, protegiéndolos de la oxidación. El «hierro blanco» es acero dulce con un baño de cloruro de zinc y un revestimiento de estaño.

Dilatación y Maleabilidad de los Metales

Los metales presentan una dilatación significativa, a menudo perceptible con los cambios de temperatura ambiental. La maleabilidad, la capacidad de ser modificados en su forma y reducidos a láminas, puede recuperarse mediante recocido. El oro es el metal más maleable, seguido de la plata, el cobre, el aluminio, el estaño, el platino, el plomo, el zinc, el hierro y el níquel.

Materiales Metálicos: Clasificación y Materia Prima

Tipos de Materiales Metálicos

Los materiales metálicos incluyen metales y sus aleaciones. Se dividen en:

• Ferrosos: Hierro y sus derivados (acero y fundición).
• No ferrosos: Los demás metales y sus aleaciones.

Según su peso, se clasifican en ligeros y pesados.

Materia Prima

En estado natural, los metales se encuentran combinados con otros elementos, como oxígeno, azufre, cloro y carbono. Los metales nativos, que se encuentran puros en la naturaleza, son: oro, plata, cobre y platino. El hierro, abundante en la naturaleza, se utiliza en aleaciones con otras sustancias para mejorar sus propiedades.

Proceso de Fabricación y Propiedades

Proceso de Fabricación

La mayoría de los metales se encuentran en minerales metálicos. El proceso de fabricación implica:

1. Obtención del metal: Extracción del mineral del subsuelo mediante minería.
2. Tratamiento del mineral: Trituración de la roca para separar el mineral metálico.
3. Fabricación de piezas metálicas: Fundición, moldeo, deformación, corte y mecanizado.

Propiedades Físicas

Los metales son sólidos (excepto el mercurio), opacos, brillantes, densos, dúctiles, maleables, con alto punto de fusión, duros y buenos conductores de calor y electricidad. Estas propiedades se deben al enlace metálico.

Principales Productores y Aplicaciones en Ingeniería

Mayores Productores de Materiales Metálicos

• Alemania
• Países Bajos
• Japón
• Estados Unidos

Uso en la Ingeniería

Los metales tienen infinidad de aplicaciones en ingeniería. El hierro y el acero se usan en construcciones, el cobre en cables, el estaño en soldadura, etc. El acero es ampliamente utilizado por sus características especiales. Los metales son esenciales en la construcción de máquinas, estructuras, mecanismos, circuitos y herramientas.

Metales Ferrosos y No Ferrosos

Metales Ferrosos

Su principal componente es el hierro. Se caracterizan por su resistencia a la tracción y dureza. Se alean con estaño, plata, platino, manganeso, vanadio y titanio. Ejemplos: fundición de hierro, aceros, aceros inoxidables. Su temperatura de fusión varía entre 1360 °C y 1541 °C. La corrosión es un problema común.

Metales No Ferrosos

Tienen menor resistencia y dureza que los ferrosos, pero mayor resistencia a la corrosión. Su costo ha disminuido gracias a nuevas técnicas de extracción y refinamiento. Ejemplos: aluminio, cobre, magnesio, níquel, plomo, titanio, zinc. Se usan como complementos de los ferrosos, puros o en aleaciones como bronce (cobre, plomo, estaño) y latón (cobre, zinc).

Materiales No Metálicos

Clasificación

• Materiales de origen orgánico (plásticos, petróleo, madera, papel, hule, piel).
• Materiales de origen inorgánico (minerales, cemento, cerámica, vidrio, grafito).

Aluminio, Cobre, Magnesio, Níquel, Plomo, Titanio y Zinc

Aluminio (Al)

Metal ligero, blando pero resistente, de color gris plateado. Su densidad es un tercio de la del acero o el cobre. Es maleable, dúctil y apto para mecanizado y fundición. Forma una capa de óxido de aluminio (Al₂O₃) que lo protege de la corrosión. Se usa en aeronáutica, embalaje, construcción y utensilios.

Cobre (Cu)

Metal rojizo con alta conductividad eléctrica y térmica. Es dúctil, maleable y se usa en cables, tuberías, motores eléctricos y monedas.

Magnesio (Mg)

Metal ligero y resistente, de color plateado. Se usa en aleaciones de aluminio, componentes de automóviles y en medicina.

Níquel (Ni)

Metal blanco plateado, conductor, dúctil, maleable y ferromagnético. Resistente a la corrosión, se usa en acero inoxidable, superaleaciones y baterías.

Plomo (Pb)

Metal pesado, azulado, flexible. Se usa en baterías, forros para cables, pigmentos y soldadura.

Titanio (Ti)

Metal duro, refractario, buen conductor y resistente a la corrosión. Se usa en aviones, misiles e implantes médicos.

Zinc (Zn)

Metal blanco azulado. Se usa en galvanizado de acero, baterías y piezas de fundición.