Los metales

 

1.- INTRODUCCIÓN.-

En el ámbito de la química, se conocen como metales o metálicos a aquellos elementos de la Tabla Periódica que se caracterizan por ser buenos conductores de la electricidad y del calor. Estos elementos tienen altas densidades y son generalmente sólidos a temperatura ambiente (excepto el mercurio). Muchos, además, pueden reflejar la luz, lo cual les otorga su brillo característico.

Los metales son los elementos más numerosos de la Tabla Periódica y algunos forman parte de los más abundantes de la corteza terrestre. Una parte de ellos suele hallarse en estado de mayor o menor pureza en la naturaleza, aunque la mayoría forma parte de minerales del subsuelo terrestre y deben ser separados por el ser humano para utilizarlos.

Incluso las aleaciones de un metal con otro (o con un no metal) continúan siendo materiales metálicos, como es el caso del acero y el bronce, aunque sean mezclas homogéneas.

Los metales han servido a la humanidad desde tiempos inmemoriales gracias a su carácter idóneo para formar herramientas, estatuas o estructuras de todo tipo, debido a sus particulares propiedades físicas

1.1.- Evolución de los metales y sus aplicaciones.

 El descubrimientos de los metales a lo largo de la historia del ser humano supuso un gran avance en la evolución de la humanidad y permitió grandes mejorar en la forma de vida.

   

La Edad de los Metales es un período prehistórico, posterior a la Edad de Piedra y anterior a la Edad Antigua y constituye la etapa final de la Prehistoria, que comprende tres grandes períodos: la Edad del Cobre, la Edad del Bronce y la Edad del Hierro, y se caracteriza por la utilización del metal en utensilios y armas.

-L- La edad del Cobre (4000 a.C.): El primer metal que el hombre conoció y empezó a utilizar en su vida cotidiana fue el cobre, por eso se conoció este período como la Edad de Cobre, la cual empezó aproximadamente en los años 4.000 a.C. después de la Edad de Piedra.

-- - La edad del Bronce (3000 a.C): Luego que conocieron el proceso para separar o unir metales, experimentaron uniendo distintos metales y minerales para crear así un material más resistente. Fue así como surgió la creación del bronce, el cual se logra con la aleación del cobre (90%) con estaño (10%). De esta manera se dio origen a lo que se conoce como la Edad de Bronce, y a partir de entonces fue el material que más se utilizaba.

  

     - La edad del Hierro (2000 a.C): se hizo un gran esfuerzo por mejorar los hornos. Una vez que lo logran, conocen el hierro, mineral mucho más fuerte y resistente que los anteriores. Fue así como se dio inicio a la Edad de Hierro, por lograr fundir este mineral y crear objetos con el mismo.

2.- COMPOSICIÓN Y PROPIEDADES

Los materiales metálicos son aquellos que están constituidos por uno o más metales, aunque pueden contener otros componentes no metálicos, como, por ejemplo, carbono.

De entre todos los metales sobresalen el hierro y sus aleaciones porque suponen el 90% de la producción mundial de metales. Esto es consecuencia de las ventajas que tiene el hierro para la industria: es abundante, es barato y mejora sus propiedades al formar aleaciones. Por esta razón clasificaremos los metales en:

a) Materiales metálicos férricos: aquellos materiales cuyo principal componente es el hierro. Aquí se encuentran: el hierro dulce, los aceros y las fundiciones.

b) Materiales metálicos no férricos: aquellos que no contienen hierro en su composición. Por ejemplo: aluminio, el cobre o el bronce.

2.1.- Propiedades de los materiales metálicos

Los metales son materiales con unas propiedades especiales, esto hace que sean tan utilizados. Algunas de estas propiedades son: 

-Conductividad eléctrica: Los metales son buenos conductores eléctricos, porque dejan pasar la electricidad muy fácilmente a través de su estructura. 

-Conductividad térmica: Los metales permiten el paso del calor por su interior, por eso son buenos conductores térmicos. 

-Brillo característico: Algunos metales tienen un brillo característico, y otros pueden ser pulidos para que consigan ese brillo. Este brillo se llama brillo metálico. 

- Resistencia: la mayoría de metales tienen buena resistencia a esfuerzos, soportando altas cargas. 

- Ductilidad: los metales suelen ser dúctiles, es decir, que se pueden deformar en hilos. 

- Maleabilidad: se pueden deformar en láminas delgadas y finas. Son maleables. 

- Sólidos: Todos los metales son sólidos a temperatura ambiental, excepto el mercurio, que es el único metal líquido a esta temperatura. 

- Comportamiento magnético: algunos metales tienen comportamiento magnético, esto es, que son capaces atraer a otros metales, o de ser atraídos por imanes. -Fusibilidad: es decir que se pueden fundir o cambiar a estado líquido. 

- Dilatación: propiedad que indica que aumentan de tamaño con el aumento de la temperatura. 

- Oxidables: La mayoría de metales suelen tener alto coeficiente de oxidación, es decir, que se oxidan o reaccionan con el oxígeno con facilidad. 

- Reciclables: Unas vez utilizados pueden volver a fundirse y fabricarse una nueva pieza con ellos. 

 2.2.- Aleaciones

La mayoría de los metales no se emplean en estado puro sino en aleaciones, es decir, formando una mezcla homogénea con otros metales o no metales, obtenida a partir de la fusión de ambos.

Las aleaciones son materiales metálicos que se obtienen al fundir un metal con otros materiales, casi siempre otros metales. El material que resulta también tiene características metálicas y, además, tiene ciertas propiedades que no tenían sus componentes por separado.

3.- OBTENCIÓN DE LOS METALES

La materia prima para obtener los metales son los minerales. Según el mineral que se trate se obtendrá un metal u otro. Cada metal se extrae de un mineral concreto. 

Durante la formación de la tierra los metales se encontraban fundidos. Estos metales fueron llegando desde el espacio exterior transportados por los meteoritos y cometas que chocaban con nuestro planeta. Estos metales se mezclaron con otros elementos y al solidificar formaron los minerales de los que se obtienen los metales. 

Los minerales están formados por dos partes: 

- MENA: Parte útil del mineral. De donde se obtiene el metal puro. 

- GANGA: Parte inútil del mineral. Formada por otros elementos que no son útiles. Esto formará la escoria durante el proceso de fundición. 

Los metales se obtienen de los minerales mediante dos técnicas fundamentales: 

- METALURGIA: Ciencia encargada de la extracción de los metales a partir de sus minerales y transformarlos en productos útiles para la actividad técnica.                                                                        - SIDERURGIA: parte de la metalurgia encargada de la extracción del hierro y sus derivados.

Los minerales se encuentran en la corteza terrestre, en la superficie o enterrados en ella, y se extraen en las minas, utilizando distintas técnicas de minería. 

Las minas pueden ser: 

- Minas subterráneas: cuando el filón de mineral útil se encuentra enterrados en capas profundas. Se cavan varios pozos y galerías para llegar hasta el filón de mineral y poder sacarlo al exterior mediante remontes mecánicos. Se emplean excavadoras, explosivos, volquetes especiales. 

- Minas a cielo abierto: Cuando el mineral se encuentra en la superficie de la tierra se utilizan minas a cielo abierto, que consiste en excavar un hoyo que en ocasiones llega a ser muy grande, eliminando toda la tierra que cubre el mineral. Las canteras son minas de este tipo: granito o mármol. Se emplean grandes excavadoras y camiones para remover la tierra que cubre el mineral.

3.1.- Formas comerciales.-

    Las formas más habituales en las que podemos encontrar los materiales metálicos en el mercado son:

- Largos: barras de distintas secciones, si su diámetro es muy pequeño se llaman alambres.

- Planos: superficies planas de distintos espesores.

- Perfiles: forma de U, T, triangular, etc.

- Lingotes: se obtienen vaciando el metal fundido en moldes y dejando que solidifique.

3.2.- Impacto medioambiental.-

El empleo de metales produce un impacto en la diferentes fases de su producción y empleo:

- Durante la extracción de minerales: las canteras y minas a cielo abierto mueven una gran cantidad de tierra, generan gran cantidad de polvo y alteran el paisaje.

- Durante el proceso de producción de los metales: los altos hornos producen los siguientes efectos:

   a) una gran cantidad de gases contaminantes que se expanden por la atmósfera y luego ocasionan la lluvia ácida. 

      b) Consumo de energía (electricidad). 

      c) Producción de escorias, lodos y vertidos, que pueden contener metales pesados, que son tóxicos y perjudiciales para la flora y la fauna.

- Productos de desecho: todos los procesos industriales que utilizan metales producen una gran cantidad de residuos y desechos de piezas, componentes, envases, pilas, baterías, vehículos viejos, maquinaria, barcos, electrodomésticos, etc.

Por eso es importante el reciclado y aprovechamiento de los materiales metálicos y sus derivados.
También se debe considerar la reutilización de productos reparados y que todavía no han llegado al final de su vida comercial o de operación. De esta forma se reduce la cantidad de materia prima que se extrae de la naturaleza, se reduce la cantidad de energía necesaria para fabricar nuevos productos y se reduce la contaminación.

4.- LOS METALES FÉRRICOS.-

Son aquellos metales que tienen hierro o se obtienen a partir del hierro. El hierro no se encuentra en la naturaleza en estado puro, sino combinado con otros elementos químicos, formando minerales, como la pirita, la magnetita, la siderita, la hematita y la limonita. Estos metales son:

a) Hierro. El hierro es un elemento químico, de color grisáceo que se oxida muy fácilmente. Es frágil, quebradizo y es difícil de trabajar con él, además de tener una alta temperatura de fusión. Tiene buenas propiedades magnéticas. Este metal se obtiene de minerales como la siderita y la ferrita. Tiene pocas aplicaciones industriales, dadas sus bajas propiedades mecánicas y su difícil obtención, se utiliza sólo para componentes electrónicos y para fabricar los derivados del hierro.

b) Acero. Es una aleación de hierro y carbono, aunque con un máximo en carbono de 1’76%. Mejora su resistencia, su dureza. Se puede fabricar acero aleado, con otros elementos como el cromo que hace que el acero sea inoxidable. Se utiliza para construcción, herramientas, vigas, estructuras, etc.

c) Fundiciones. Es una aleación de hierro y carbono, con más de 1’76% de carbono. Son aleaciones muy duras y resistentes al desgaste. Se funden a temperaturas mas bajas, por eso se llaman así y se le puede dar forma más fácilmente. Se emplea para hacer los motores, bancos, farolas, etc. 

Proceso de obtención de los metales férricos o ferrosos. 

Este proceso también se llama proceso siderúrgico, y consta de una serie de pasos hasta la obtención del acero o fundición. 

En primer lugar, el mineral de hierro se mezcla con roca caliza y carbón mineral también llamado coque y se introduce todo en un alto horno, donde el metal se funde y se acumula en la parte inferior del horno (crisol). La roca caliza y la ganga del mineral se quema formando la escoria que flota sobre el metal fundido e impide que este se oxide. Para alcanzar la temperatura de fusión del hierro es necesario introducir aire en el horno a través de las toberas. 

El metal fundido se denomina arrabio, y es extraído del horno por la piquera y vertido en un cubilote. Este metal se lleva a un horno eléctrico o a un horno de inyección de oxígeno (convertidor), donde se mezcla con acero reciclado (chatarra) para formar el nuevo acero o fundición, dependiendo del % del carbono que adquiera la mezcla. 

5.- METALES NO FÉRRICOS.-

    Son otros metales que no tienen hierro. Esto metales tienen otras propiedades que son útiles, pero son menos abundantes y más costosas de extraer. Se clasifican según su densidad, es decir, según lo que pesen. 

a) Metales pesados. 

-Cobre: Se obtiene de la cuprita. Es muy buen conductor térmico y eléctrico y muy maleable y dúctil. (se deforma muy fácilmente) Se oxida con facilidad. Se utiliza para cables, tuberías y para hacer aleaciones. 

-Latón: Aleación de cobre y cinc. Es menos oxidable que el cobre y se usa para calderas y radiadores. 

-Bronce: Aleación de cobre y estaño. Muy resistente a la corrosión y a los esfuerzos. Se utiliza para hélices de barcos, campanas, etc. 

-Plomo: Se obtiene de la galena y es muy pesado. Tiene gran plasticidad y es muy maleable y tóxico. Se usa en baterías de coches, trajes de radiación y en cristalerías. 

-Estaño: Se obtiene de la casiterita. Muy maleable y que no se oxida. Se usa para fabricar el papel de estaño, para soldaduras y para la hojalata, que es una capa de acero recubierta de estaño para evitar que se oxide. 

-Cinc: Metal que se extrae de la blenda. Es muy frágil, poco duro, pero muy inoxidable. Se usa para hacer el acero galvanizado, que es una pieza de acero recubierta por cinc para evitar que se oxide. 

b) Metales ligeros. 

-Aluminio: Se extrae de la bauxita. Metal con muy buena resistencia a la corrosión, muy dúctil y maleable. Buena resistencia en relación con su peso y buena conductividad térmica y eléctrica. Se utiliza para cables de alta tensión y piezas de aviones y vehículos. 

-Titanio: Metal que se obtiene del rutilo. Es muy duro y resistente, ligero e hipoalergénico. Se usa en arquitectura, tecnología aeroespacial y en medicina para hacer las prótesis. 

-Magnesio: Se obtiene de la magnesita. Es muy ligero, blando y maleable. Poco resistente y reacciona explosivamente con el oxígeno. Se utiliza para crear aleaciones resistentes y ligeras, construcción de vehículos especializados y la industria pirotécnica

c) Aleaciones ultraligeras.-

Son aleaciones de magnesio con manganeso, litio, cobre, zinc, aluminio, etc. Tienen la misma resistencia que los aceros, pero son considerablemente menos pesados que ellos. Su uso en transportes ha permitido aumentar la velocidad y reducir el consumo energético.

6.- FABRICACIÓN INDUSTRIAL CON METALES.-

Las técnicas de conformación de los metales son el conjunto de técnicas o trabajos que hay que hacer con un metal para darle la forma final que deseamos. 

Existen numerosas técnicas, la cuales se pueden realizar en frío o en caliente: 

• Técnicas de conformación en frío: Se hacen con los metales por debajo de la temperatura de fusión del metal. 

• Técnicas de conformación en caliente: Se hacen con los metales cerca de su temperatura de fusión, aunque aún en estado sólido. Con esta técnica resulta mucho más fácil darle la forma deseada. 

Algunas de estas técnicas son: 

a) CONFORMACIÓN POR MOLDEO. Consiste en introducir el metal fundido dentro de un molde, que tiene un hueco interior con la forma de la pieza que queremos construir. Este molde puede estar hecho de arena o de metales más duraderos. Cuando el molde está hecho de materiales más duraderos se pueden utilizar más veces, y entonces se llama coquilla.  

En el molde se dejan una serie de huecos, denominados mazarota y bebedero. El bebedero es por donde se introduce en metal fundido, y la mazarota es por donde sale el aire del interior del molde, para impedir que queden huecos dentro de la pieza.

b) CONFORMACIÓN POR COLADA CONTINUA La conformación por colada continua consiste en dejar salir el metal fundido por una boquilla con la forma de la pieza que queremos fabricar. Conforme pasa por esta boquilla el metal se enfría y solidifica, quedando con la forma de la boquilla. Se llama colada continua, porque el metal sale de forma continua, formando piezas de gran longitud. 

c) CONFORMACIÓN POR LAMINACIÓN Consiste en hacer pasar la pieza de metal a través de unos rodillos que la van aplastando y dándole la forma deseada a la pieza. Estos rodillos se llaman trenes de laminación, porque normalmente hay que hacer la laminación en varios pasos.

d) CONFORMACIÓN POR EXTRUSIÓN Se hace pasar el metal por un orificio con la forma deseada llamada matriz, empujándolo con un émbolo. Al obligar a pasar al metal por el orificio, este toma la forma de la boquilla.  

e) CONFORMACIÓN POR FORJA. Consiste en deformar un bloque de metal, una vez que se ha calentado, golpeándolo con mazas o con una prensa. Se emplea en la elaboración de rejas, herramientas y piezas de grandes dimensiones.

7.- FABRICACIÓN CON METALES.-

a) Medir  y marcar.-

Para medir se utiliza la regla metálica de acero y escuadra metálica que además de trazar sirven como guías para otras herramientas. También se utiliza la punta de trazar que es de acero templado.

b) Sujetar y doblar.-

Las herramientas para sujetar son iguales que las empleadas en carpintería: el gato y el tornillo de mesa, los alicates universales que sirven para sujetar pequeñas piezas, dar forma a alambres y también para cortar alambres y otras piezas pequeñas.

c) Cortar.-

Los alicates de corte están especialmente diseñados para cortar alambres y piezas metálicas. El alicate (del árabe al-laqqat, que significa «tenaza») es una herramienta manual cuyos usos van desde sujetar piezas al corte o moldeado de distintos materiales. Son comunes en todo equipo de herramientas manuales, ya que es un útil básico para el bricolaje.

 Las tenazas sirven para sujetar, cortar y doblar. La tenaza o tenazas es un instrumento de metal, compuesto de dos brazos trabados por un clavillo o eje que permite abrirlos y volverlos a cerrar, que se usa para sujetar fuertemente una cosa, o arrancarla o cortarla. Es una herramienta indispensable en carpintería y en trabajos con metal.

Las tijeras de hojalatero o tijera corta chapa es la herramienta que se usa para cortar delgadas láminas metálicas de la misma forma que unas tijeras comunes cortan el papel. Existen tres tipos diferentes; corte recto, corte zurdo y corte diestro.

La sierra de metal sirven para cortar turbos y piezas metálicas. Es una sierra de arco que dispone de una sierra con dientes especialmente diseñada para cortar piezas metálicas.

d)  DESBASTAR Y PULIR
   
 Disponemos de limas de diferentes formas, rectas, redondas triangulares, cuadradas, etc. La carda es un cepillo con dientes metálicos que sirve para quitar rebabas e imperfecciones después de cortar. También podemos usar papel de lija especial para superficies metálicas. Otra piezas es un cepillo redondo de dientes metálicos que se puede acoplar al taladro y que sirve para pulir y rebajar superficies.

    e) TALADRAR

Para taladrar y perforar metal disponemos del taladro manual, eléctrico y taladro vertical con diferentes tipos de brocas especiales para metales.

Las brocas estándar para metal están bien para taladrar en metales blandos, como el cobre y el aluminio. Pero para los metales duros (como el acero inoxidable), lo mejor es utilizar brocas de cromo-vanadio, cobalto o carburo de titanio. La etiqueta HSS indica que la broca está hecha de un metal más duro.

f) UNIR:

Hay diferentes formas de unir metales, entre ellas tenemos:

- Remaches: se utiliza una herramienta llamada remachadora que usa clavos especiales que sellan la unión por presión. Una remachadora es una herramienta mecánica compuesta por palancas, cuñas, tornillos, resortes, entre otros, que tiene la finalidad de colocar remaches, tanto en procesos industriales como en aplicaciones domesticas, para unir dos elementos que no tengan que ser desmontados luego.

- Uniones roscadas: mediante tornillos y tuercas de diferentes formas y tamañas que se pueden desmontar posteriormente. La unión roscada es un sistema de unión desmontable basado en la combinación de dos piezas, en una de las cuales (habitualmente llamada tornillo, perno o espárrago) se ha labrado una rosca  helicoidal por el exterior  y en la otra (habitualmente llamada tuerca) una rosca helicoidal complementaria por el interior. 

- Soldadura: se emplea un metal de aporte que al fundirse por temperatura se extiende por las piezas a unir y al solidificar deja uniones permanentes. El método de soldadura es el proceso que une dos piezas metálicas o más de idéntica o parecida composición por la aplicación del calor, presión o ambos. El proceso se produce mediante otro metal, conocido como metal de aportación, que cuenta con las mismas o similares características de composición, y que permite dar una continuidad a los elementos unidos.

G) ACABAR:

El proceso de acabado aporta buena terminación y protege a los metales de la corrosión. Algunos de los tratamientos de acabado que se realizan con los metales son:
- Pulido: sirve para eliminar marcar y proporcionar brillo
- Recubrimiento con pinturas antioxidantes para evitar la corrosión
- Recubrimientos con pinturas de acabado superficial para darle el toque final.