TECNOLOGÍA BLOQUE 04 - MATERIALES

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1 TECNOLOGÍA BLOQUE 04 - MATERIALES

2 Tecnología Bloque 04 - Materiales Contenido 1. MATERIALES DE USO TÉCNICO Clasificación Factores de elección de un material Propiedades de los materiales Propiedades químicas Propiedades físicas Propiedades térmicas Propiedades magnéticas Propiedades mecánicas Ensayos de materiales Ensayo de tracción Ensayo de compresión Ensayos de dureza METALES FERROSOS Acero NO FERROSOS COBRE ALUMINIO PLOMO MATERIALES PLÁSTICOS Propiedades de los materiales plásticos Clasificación de los polímeros Termoplásticos Termoestables Elastómero Aditivos Identificación de los polímeros más utilizados Métodos de conformado EXTRUSIÓN: (termoplásticos) INYECCIÓN: (termoestables)

3 3.5.3 COMPRESIÓN: (termoestables) SOPLADO: (termoplásticos) VACÍO: CALANDRADO: FIBRAS TEXTILES Fibras naturales Fibras artificiales Fibras sintéticas LA MADERA Propiedades de la Madera Clasificación Obtención de la madera Productos derivados de la madera Aplicaciones de la madera Tratamientos de la madera MATERIALES PÉTREOS Y CERÁMICOS Rocas naturales Materiales cerámicos Materiales aglomerantes COMPOSITES

4 Tecnología Bloque 04 - Materiales 1. MATERIALES ES DE USO TÉCNICO 1.1 Clasificación Hay muchas formas de clasificar los materiales: según su composición, por su origen, de acuerdo con sus propiedades físico- químicas, desde el punto de vista de la fabricación, etc. Según su origen, los materiales se pueden clasificar en materiales naturales y materiales artificiales, dependiendo de que se encuentren directamente en el medio natural o sean el resultado de algún proceso de fabricación. Por ejemplo, el granito es un material natural, mientras que el acero es un material artificial. Según su composición, los materiales se pueden clasificar en elementos y compuestos, homogéneos y heterogéneos, metálicos y no metálicos, inorgánicos y orgánicos, etc. Según sus propiedades, los materiales se pueden clasificar en rígidos y flexibles, tenaces y frágiles, conductores y aislantes, reciclables y no reciclables, etc. El criterio más empleado, desde un punto de vista tecnológico, es según sus características comunes teniendo en cuenta su naturaleza física: Tenemos pues: 1. Materiales metálicos y sus aleaciones. 2. Maderas y sus derivados. 3. Polímeros: llamados vulgarmente plásticos. 4. Materiales pétreos y sus derivados. 5. Fibras textiles. 1.2 Factores de elección de un material A la hora de seleccionar el material más adecuado para una determinada aplicación, debemos tener en cuenta diversos factores, como son el trabajo que va a desarrollar la pieza, la atmósfera en la que se va a encontrar, el proceso de conformado mediante el cual se le dará la forma definitiva, la disponibilidad de ese material, su coste (No debe suponer más de la mitad del precio final del producto para que su venta pueda resultar competitiva. Incluye extracción, transporte, transformación en producto de primera fase y transporte al lugar de la segunda transformación), Por lo tanto, un profundo conocimiento de las propiedades de los distintos grupos de materiales y de las formas en que se pueden mejorar, (elementos químicos de aleación, tratamientos térmicos, ) es la clave para estar en condiciones de determinar cuál es el más adecuado. Así, antes de fabricar un determinado objeto, es necesario establecer las características deseables que deben poseer los materiales de los que estará hecho, y, en una segunda fase escoger el material óptimo entre aquellos que cumplan las características deseadas. 4

5 1.3 Propiedades de los materiales Se definen como un conjunto de características diferentes para cada cuerpo o grupo de cuerpos, que ponen de manifiesto cualidades intrínsecas de los mismos o su forma de responder a determinados agentes exteriores: Propiedades mecánicas (resistencia, tenacidad, dureza, rigidez, ), resistencia a la corrosión, conductividad térmica y eléctrica, facilidad de conformado, peso específico y apariencia externa (propiedades sensoriales), factores ecológicos: mínima necesidad de materia prima y posibilidad de reciclaje y reutilización, precio de la materia prima, Estas características vienen determinadas por la estructura interna del material (componentes químicos presentes y forma de unión de los átomos) Las propiedades de un material determinado se pueden clasificar en cinco grandes grupos: 1. Propiedades químicas: Se refiere a los procesos que modifican químicamente un material. 2. Propiedades físicas: Se refiere a las características de los materiales debido al ordenamiento atómico o molecular del mismo. 3. Propiedades térmicas: Se refiere al comportamiento del material frente al calor. 4. Propiedades magnéticas: Se refiere a la capacidad de algunos materiales al ser sometidos a campos magnéticos. 5. Propiedades mecánicas: Están relacionadas con la forma en que reaccionan los materiales al actuar fuerzas sobre ellos Propiedades químicas. 1. Estabilidad química: Indica la capacidad de un determinado elemento o compuesto químico de reaccionar espontáneamente al entrar en contacto con otro elemento o a descomponerse o si, por el contrario, para que reaccione es necesaria una acción exterior (calor, trabajo o elementos químicos activadores) 2. Oxidación: Cuando un material se combina con oxígeno, se dice que experimenta una reacción de oxidación. Tal reacción, de forma esquemática sería... Material + oxígeno = óxido del material + energía Aunque la oxidación limita la vida del material en ocasiones la formación de una capa de óxido en el mismo, depositada en la parte exterior del material, lo protege de una posterior degradación. La mayor temperatura acelera el proceso de oxidación del material. Materiales susceptibles de ser oxidados: hierro, aceros bajos en carbono, cobre, titanio,... Materiales resistentes a la oxidación: oro, plata, aluminio, estaño, cromo, Corrosión: Cuando la oxidación se produce en un ambiente húmedo o en presencia de otras sustancias agresivas, se denomina corrosión. 5

6 Tecnología Bloque 04 - Materiales Propiedades físicas. 1. Densidad: Es la relación existente entre la masa de una determinada cantidad de material y el volumen que ocupa. Su unidad en el sistema internacional es el kg/m 3.2. Peso específico: Es la relación existente entre el peso de una determinada cantidad de material y el volumen que ocupa. Su unidad en el SI es el N/m Resistencia eléctrica: Todas las sustancias ofrecen un mayor o menor grado de oposición al paso de la corriente eléctrica. Tal oposición es la resistencia eléctrica, que define si un material es un conductor, semiconductor o aislante eléctrico. La resistencia eléctrica se mide en ohmios ( Ω ). Una magnitud asociada a la resistencia eléctrica es la resistividad (ρ), que se define como la resistencia que ofrece al paso de la corriente un material de un metro de longitud y de un m 2 de sección. Se mide en Ω m si bien para una barra de longitud L (m) y sección S (mm 2 ) la resistividad viene dada en Ω mm 2 /m. La inversa de la resistividad es la conductividad (σ). 3. Propiedades ópticas: Se refiere al comportamiento de los cuerpos cuando la luz incide sobre ellos, así tenemos: - Cuerpos opacos absorben o reflejan totalmente la luz, impidiendo que pase a su través. - Cuerpos transparentes transmiten la luz, por lo que permiten ver a través de ellos. - Cuerpos translúcidos dejan pasar la luz, pero impiden ver los objetos a su través Propiedades térmicas. 1. Dilatación térmica o dilatabilidad: La mayoría de los materiales aumentan de tamaño (se dilatan) al aumentar la temperatura. La magnitud que define el grado de dilatación de un cuerpo es el coeficiente de dilatación que nos da una idea del cambio relativo de longitud o volumen que se produce cuando cambia la temperatura del material. Podemos expresarla de tres formas distintas según interese por la forma geométrica de la pieza: - Coeficiente de dilatación lineal, α - Coeficiente de dilatación superficial, β 6

7 - Coeficiente de dilatación cúbica, γ 2. Calor específico (Ce): Se define como la cantidad de calor que necesita una unidad de masa para elevar su temperatura un grado centígrado. En el sistema internacional se mide en J/kg K (K = grados Kelvin, 0 o C = 273,15 K), aunque es más frecuente medirlo en cal/g K. (calor específico del agua aproximadamente 1 cal/(g K)) 3. Temperatura de fusión: Al elevar la temperatura de un sólido, puede producirse un cambio de estado, pasando de sólido a líquido. La temperatura a la que se sucede tal fenómeno es la temperatura de fusión, que a presión normal se llama punto de fusión. Durante el proceso de fusión la temperatura del cuerpo no varía hasta que se ha aportado el calor necesario para el cambio de estado, momento en el cual vuelve a elevarse la temperatura del cuerpo. 4. Conductividad térmica(k): Es un parámetro que indica el comportamiento de cada cuerpo frente a la transmisión del calor, es decir, es la intensidad con que se transmite el calor en el seno de un material. 5. Calor latente de fusión: Es el calor necesario para transformar una unidad de masa del material del estado sólido al líquido Propiedades magnéticas. Representan los cambios físicos que se producen en un cuerpo al estar sometido a un campo magnético exterior. 1. Materiales diamagnéticos: son repelidos por los imanes. No presentan efectos magnéticos observables. Hidrógeno, cloruro de sodio, oro, plata, cobre, Materiales paramagnéticos: Son materiales que cuando están sujetos a un campo magnético, sufren el mismo tipo de atracción y repulsión que los imanes normales. Aluminio, platino, magnesio, titanio Materiales ferromagnéticos: Son aquellos materiales que, cuando se encuentran a una temperatura inferior a un valor determinado adquieren un comportamiento magnético. Hierro, níquel y cobalto Propiedades mecánicas. Las propiedades mecánicas indican el comportamiento de un material cuando se encuentra sometido a fuerzas exteriores. 1. Elasticidad 2. Plasticidad 7

8 Tecnología Bloque 04 - Materiales 3. Resistencia a la fluencia: Indica la fuerza para la que un material se deforma sin recuperar su forma primitiva al cesar el esfuerzo. 4. Resistencia a la tracción o resistencia última: Indica la fuerza para la que un material se rompe 5. Resistencia a la torsión: Fuerza torsora que indica la rotura de un material 6. Resistencia a la fatiga 7. Dureza 8. Fragilidad 9. Tenacidad 10. Resiliencia o resistencia al choque 11. Ductilidad 12. Maleabilidad 13. Maquinabilidad 14. Moldeabilidad: Facilidad de un material para ser conformado por fundición o moldeo 8

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10 Tecnología Bloque 04 - Materiales 1.4 Ensayos de materiales Para determinar las propiedades mecánicas de los materiales se han establecido un conjunto de ensayos para medir el comportamiento de los mismos (fundamentalmente los metales) ante diferentes tipos de fuerzas. Los ensayos a los que se someten los diferentes materiales so pueden clasificar en: Destructivos: Son aquellos en los que la probeta del material a ensayar es sometido a sucesivos esfuerzos hasta la rotura de la misma. No destructivos: cuando la prueba practicada a l material no altera de forma permanente sus propiedades físicas, químicas, mecánicas o dimensionales. Los ensayos no destructivos implican un daño imperceptible o nulo Ensayo de tracción. El ensayo de tracción es uno de los más importantes para la determinación de las propiedades mecánicas de cualquier material. Los datos obtenidos se pueden utilizar para comparar distintos materiales y comprobar si algunos de ellos podrán resistir los esfuerzos a los que van a ser sometidos en una determinada aplicación Este ensayo consiste en estirar una probeta de dimensiones normaliza das, por medio de una máquina, (máquina universal de ensayos) a una velocidad lenta y constante, obteniéndose de esta forma la curva de tensión-deformación. Por tensión (σ) se entiende la fuerza aplicada a la probeta por unidad de sección (la unidad de la tensión en el Sistema Internacional es el N/m 2 ); Es decir, si la sección inicial es So y F la fuerza : σ= La deformación se define por la relación entre el alargamiento de la probeta y la longitud inicial de la misma. ε= Los datos obtenidos en el ensayo se representan un una gráfica como la siguiente, donde podemos apreciar tres zonas, en las que el comportamiento del material es diferente función de la tensión a que está sometido. 10

11 Zona elástica. En ella la relación tensión-deformación es lineal, cumpliéndose la ley de Hooke (establece que el alargamiento unitario que experimenta un material elástico es directamente proporcional a la fuerza aplicada F). Si se detiene el ensayo en cualquier punto de esta zona, la probeta recupera su longitud inicial. La zona elástica se termina cuando se alcanza el límite elástico (σ e ). Zona plástica. En ella los alargamientos son permanentes. Si el ensayo se detiene, por ejemplo en el punto A, se recupera el alargamiento elástico, quedando un alargamiento remanente o plástico. La curva en la zona plástica tiene menor pendiente que en la elástica, ya que para conseguir grandes alargamientos no es necesario un incremento de carga elevado. La fuerza máxima dividida por la sección inicial de la probeta determina la resis tencia a la tracción (σ R ) punto en el que se termina la zona plástica. Zona de estricción. A partir de la carga de rotura, la deformación se lo caliza en una zona determinada de la probeta, la tensión disminuye y la probeta termina por romperse en esa zona Ensayo de compresión. Se entiende que una pieza está sometida a esfuerzos de compresión cuando las fuerzas que actúan sobre ella lo hacen en el sentido de su eje longitudinal y además tienden a acortada. Al igual que en piezas sometidas a tracción, la tensión será la misma para compresión, pero de sentido contrario, y las deformaciones serán en este caso aplastamientos. La realización del ensayo se efectúa con la misma máquina universal que el ensayo de tracción, pero invirtiendo en sentido de aplicación de la carga. 11

12 Tecnología Bloque 04 - Materiales Las probetas que normalmente se utilizan en este tipo de ensayo son cilíndricas en los metales y hormigones o cúbicas para plásticos, maderas, etc. Este tipo de ensayo no es tan frecuente en las aplicaciones industriales como el de tracción y normalmente se aplica a piezas que van a trabajar exclusivamente a compresión como por ejemplo las cimentaciones y pilares de los edificios El diagrama de la figura que suministra la máquina universal es muy similar al de tracción, con la consiguiente particularidad de que en este caso, las tensiones se consideran negativas y también las deformaciones. Zona OA o de proporcionalidad: al aplicar la fuerza de compresión, la longitud inicial de la pieza disminuye, apreciándose un ligero ensanchamiento en el centro de la probeta que desaparece al cesar el esfuerzo, esto es, la pieza se recupera y la deformación se denomina plástica. En la figura se puede observar la línea de deformación de este ensayo. Aplastamientos. Zona AB o de deformaciones permanentes: al continuar aumentando la aplicación del esfuerzo, se producen las primeras deformaciones permanentes de la probeta, de forma que, aun eliminando el esfuerzo la pieza queda deformada permanentemente. Zona BC o de aplastamiento o rotura: al seguir aumentando la carga, se produce en los materiales frágiles la rotura (caso de las fundiciones), mientras que en los materiales dúctiles se produce un aplastamiento sin rotura Ensayos de dureza La propiedad mecánica de la dureza no está definida claramente, de manera que no se puede medir de una forma absoluta, sino que es necesario mencionar el método utilizado para su determina ción. Entre ellos, se pueden citar los siguientes: La dureza de los minerales, entendida como la resistencia que oponen a ser rayados, se puede medir mediante diferentes ensayos.. Esta es la base de los ensayos Brinell, Vickers y Rockwell, en los que se utilizan distintos tipos de penetradores que se aprietan con una fuerza determinada contra el material. La medida de la dureza se obtiene dividiendo la fuerza con la que se ha empujado el penetrador entre la superficie de la huella que éste deja en el material. La dureza es una propiedad de gran importancia práctica, ya que está relacionada con el comportamiento del material frente a la abrasión o al desgaste, así como con la facilidad con que puede mecanizarse; por ejemplo, un material utilizado para moler mineral en una cantera debe ser muy duro para que apenas sufra desgaste en su trabajo. 12

13 Dureza Brinell, en la que el penetrador es una bola de acero extraduro y al efectuar la carga sobre la pieza durante un tiempo, deja una huella con forma de casquete esférico. La dureza está en razón inversa al diámetro del casquete, o sea, a mayor diámetro, menor dureza. Dureza Vickers, en el que el penetrador es una pirámide de diamante y se utiliza para materiales muy duros cuando el método anterior resulta inservible. El método es similar al Rockwell y relaciona la fuerza ejercida sobre el penetrador y la superficie de la pirámide dejada como huella similar a la que se aprecia en la figura. Dureza Rockwell, mide la profundidad de la huella que deja un penetrador. Se usa una punta de diamante en forma de cono para materiales duros o de bola para materiales blandos. 13

14 Tecnología Bloque 04 - Materiales 2. METALES Se define a los metales como aquellos elementos químicos que se caracterizan por tener las siguientes propiedades: - Poseen una estructura interna común. - Son sólidos a temperaturas normales, excepto el mercurio y el galio - Tienen una alta densidad - Tienen elevada conductividad térmica y eléctrica. - Tienen considerable resistencia mecánica. - Suelen ser maleables. - Se pueden fundir, conformar y reciclar. Clasificación: Ferrosos Se clasifican en dos grandes grupos según el contenido en hierro: - Hiero C < 0,1% - Aceros 0,1 % < C < 2% - Fundiciones 2 %< C < 7% Las aleaciones (mezcla de dos o más materiales, donde al menos uno, de forma mayoritaria es un metal) con un contenido de carbono superior, carecen de interés industrial porque son demasiado frágiles. No Ferrosos: - Aleaciones pesadas (Cu, Pb, Zn) - Aleaciones ligeras (Al, Ti) - Aleaciones ultraligeras (Mg, Be) 2.1 FERROSOS Un material es ferroso o férrico cuando su componente principal es el hierro. Normalmente posee pequeñas cantidades de C que se han incorporado en el proceso de obtención y otros metales incorporados, para que la aleación resultante adquiera propiedades especiales. El Fe puro no presenta buenas propiedades mecánicas, por lo que tiene muy pocas aplicaciones técnicas Características del hierro puro - Es un material magnético (ferromagnético). - Color blanco azulado. - Muy dúctil y maleable. 14

15 - Punto de fusión: aproximadamente 1500 ºC - Densidad alta (7,87 g/cm 3.) - Buen conductor del calor y la electricidad. - Se corroe y oxida con mucha facilidad. - Bajas propiedades mecánicas (al corte, limado, conformado, etc). - Es un metal más bien blando. En la industria, el hierro se emplea aleado con carbono y otros materiales, lo que mejora mucho sus propiedades. Una aleación de Fe + C es un producto siderúrgico, que se define como toda sustancia férrea que ha sufrido un proceso metalúrgico. Método de obtención. Proceso siderúrgico. Se conoce como proceso siderúrgico al conjunto de operaciones que es preciso realizar para llegar a obtener un metal férrico de unas determinadas características. El proceso siderúrgico engloba desde la extracción del mineral de hierro en las minas hasta la obtención del producto final. El Fe es un metal que forma parte de la corteza terrestre (5 %); nunca se presenta en estado puro, sino combinado formando óxidos, hidróxidos, carbonatos y sulfuros. Según el contenido en hierro se distinguen distintos tipos: Mineral de hierro Contenido en hierro Composición Magnetita >70% Óxido de hierro Hematites roja 70% Óxido de hierro Limonita 60% Hidróxido de hierro Siderita 40-50% Carbonato de hierro Pirita <40% Sulfuro de hierro El mineral que se extrae de la mina contiene una parte con el componente de hierro, llamada mena (elementos aprovechables), y otra parte compuesta por sustancias no ferrosas llamada ganga (elementos no aprovechables) tales como roca, sílice, Los pasos a seguir en todo proceso son: 1. Separar la mena de la ganga utilizando sus propiedades físicas: densidad, comportamiento magnético, Obtener el elemento que nos interesa, Fe, por medio de una reacción química llamada reducción del hierro, que consiste en añadir monóxido de carbono tantas veces como sea necesario hasta obtener hierro puro. 15

16 Tecnología Bloque 04 - Materiales C + ½ O 2 CO 3Fe 2 O 3 + CO Fe 3 O 4 + 3CO 2 Fe 3 O 4 + CO 3FeO + CO 2 FeO + CO Fe + CO 2 Sumando todas las reacciones, se obtiene que Fe 2 O 3 + 3CO 2Fe + 3CO 2 Esta reacción ocurre en el alto horno, que es un horno especial en el que tiene lugar la fusión de los minerales de hierro y la transformación química en un metal rico en hierro llamado arrabio. El alto horno está formado por dos troncos de cono colocados unos sobre otro y unidos por su parte más ancha. La altura varía entre unos 30 y 70 m y su diámetro entre 4 y 12 m. Su capacidad de producción varía entre 500 y 1500 toneladas diarias. La pared interior está recubierta de ladrillo refractario para mantener y soportar las altas temperaturas, y la externa de acero. Entre ambas paredes existen canales de refrigeración. La parte superior, el tragante, está formada por dos tolvas (depósitos) en forma de campana con dispositivo de apertura y cierre para evitar que se escapen los gases en momento de la carga del material. forma: El material se introduce por capas de la siguiente -Una capa de minerales de Fe (magnetita, limonita, siderita o hematites) previamente lavado y desmenuzado (2 Tm) -Una capa de carbón de coque (combustible) para la fusión y reducción del material (1 Tm) -Una capa de material fundente (roca caliza) que se combina con las impurezas, ganga y cenizas, que da lugar a la escoria. (0.5 Tm) Esta combinación da lugar a la obtención de un material poroso llamado sínter Partes, medidas y temperaturas aproximadas de un alto horno En la parte alta, llamada cuba, se produce el primer calentamiento, en el que se elimina la humedad y se calcina la caliza (CO 2 + caliza) ayudada por la inyección de aire caliente insuflada por las toberas de la parte inferior. El CO resultante de la combustión del coque reduce el Fe, obteniéndose una masa esponjosa de Fe etálico. 16

17 A continuación, en el vientre, que es la parte más ancha, se funden el Fe y la escoria. Por las toberas, conducto que permite la entrada de aire a altas P y velocidades en torno a 200m/s, entra el aire necesario para la combustión (1350ºC). En algunos casos se pueden alcanzar temperaturas del orden de los 1800ºC, lo que supone un ahorro del carbón de coque. En la parte inferior, llamada etalaje, se depositan el Fe y la escoria fundidos, de manera que al ser ésta última menos densa que el Fe flota sobre él y lo protege de la oxidación. La escoria y el Fe se extraen a través de dos orificios en la parte inferior, llamados bigotera y piquera respectivamente. Así, los productos obtenidos del alto horno son: Escoria.- Es un residuo metalúrgico que a veces adquiere la categoría de subproducto, ya que se puede utilizar como material de construcción, bloques o como aislante de la humedad y en la fabricación de cemento y vidrio. La escoria, como se comentó anteriormente, se recoge por la parte inferior del alto horno por la piquera de escoria(bigotera). Fundición, hierro colado o arrabio.- Es el producto propiamente aprovechable del alto horno y está constituido por hierro con un contenido en carbono que varía entre el 2% y el 7%. Se presenta en estado líquido a 1800 ºC. En ocasiones, a este metal se le denomina hierro de primera fusión. También se obtienen humos y gases residuales que se producen como consecuencia de la combustión del coque y de los gases producidos en la reducción química del mineral de hierro que, en un elevado porcentaje, se recogen en un colector situado en la parte superior del alto horno. Estos gases son, principalmente, dióxido de carbono, monóxido de carbono y óxidos de azufre. Nota: Los altos hornos funcionan de manera continua y sólo se apagan cuando hay que realizar reparaciones como consecuencia del desgaste del material refractario del recubrimiento de las paredes. La carga y descarga del material se realiza periódicamente cada 3-4 horas, periodo que puede modificarse controlando la inyección de aire por las toberas. Existen una serie de pasos para reducir el consumo energético en este proceso: o Sinterización del mineral (tratamiento térmico de un polvo o compactado metálico o cerámico a una temperatura inferior a la de fusión de la mezcla, para incrementar la fuerza y la resistencia de la pieza creando enlaces fuertes entre las partículas.) o Inyección de gases combustibles por las toberas o Aumento de la calidad del coque, disminución de la humedad y del tamaño de los granos. 17

18 Tecnología Bloque 04 - Materiales Puede ocurrir que se produzca más arrabio que el que se puede utilizar inmediatamente, en este caso se pone en unos moldes llamados lingoteras para su uso posterior. A partir de la primera fusión, se obtienen todos los productos ferrosos restantes: hierro dulce, otras fundiciones, acero... Hierro dulce El hierro dulce, como hemos visto, es aquel cuyo contenido en carbono es inferior al 0,1 %. En estas condiciones puede considerarse químicamente puro. Es un material de color plateado, de gran permeabilidad magnética, dúctil y maleable. Admite la forja, por lo que también se le denomina hierro forjado. Puede obtenerse por procedimientos electrolíticos, a partir de baños de sulfato y cloruro de hierro. El material que resulta se emplea para conducción eléctrica por su baja resistividad. Sin embargo, resulta muy poroso, se oxida con gran facilidad y presenta con frecuencia grietas internas que lo hacen poco útil para otras aplicaciones industriales. Fundiciones El arrabio o fundición de primera fusión cuando solidifica resulta un material muy duro, pero su contenido en carbono y otras impurezas hace que sea frágil y quebradizo y que no admita la forja ni la soldadura. En estas condiciones no puede utilizarse para fabricar piezas que vayan a estar sometidas a esfuerzos. Según las impurezas que contiene, se distinguen la fundición gris y la fundición blanca, nombre que reciben por el aspecto que presenta su superficie de fractura. La fundición gris se obtiene cuando el contenido de silicio es elevado. El carbono cristaliza entonces en forma de grafito y sólo puede emplearse para piezas moldeadas. La fundición blanca se obtiene cuando el contenido de manganeso es elevado. En estas condiciones, el carbono se combina con el hierro formando carburo de hierro y se utiliza como una de las materias primas para la obtención del acero Acero Como hemos visto, la proporción de carbono en el arrabio extraído del alto horno se encuentra en el intervalo correspondiente a las fundiciones, por lo que tenemos un producto ferroso 18

19 intermedio, duro y frágil, que no puede ser extendido en hilos ni en láminas y que precisa una transformación posterior para su utilización industrial. Se hace necesario, pues, reducir el contenido en carbono del arrabio para convertirlo en acero; que es un material que sigue siendo duro, pero más elástico, dúctil, maleable y capaz de soportar impactos. Normalmente se traslada, en estado líquido, en unos contenedores especiales llamados torpedos hasta la planta de obtención del acero. El acero se obtiene e en unos recipientes llamados convertidores o bien en hornos eléctricos en los que se realizaa un proceso de fusión, en los que se añade el arrabio, chatarra en algunos casos, y un fundente, sílice (SiO 2) o caliza (CaCO 3). En el convertidor se añade oxígeno al arrabio líquido para que combustione el exceso de carbono, reduciéndose este a un valor inferior al 2%. Este proceso recibe el nombre de afino. convertidor Los productos finales son: Acero líquido, que será transportado por medio de otra cuchara para ser sometido a procesos siderúrgicos. En determinadas ocasiones el acero necesita ser tratado en función de las necesidades de uso, por lo que necesitará ser sometido a procesos de desulfuración, desgasificación, La colada de acero líquido se enfriará en unos moldes adecuados a los perfiles comerciales que se necesiten. Escoria, que se recicla para otros fines, especialmente la construcción. 19

20 Tecnología Bloque 04 - Materiales Gases, Especialmente monóxido de carbono y dióxido de carbono, resultantes de la combustión de carbono. En el convertidor también se lleva a cabo la aleación del acero con otros metales (Ni, Cr, Mo, etc.) para obtener aceros aleados que mejoran las propiedades del metal original. Se puede obtener una producción por hornada: Entre 100 y 300 toneladas, dependiendo del tipo de convertidor. Una vez que se ha extraído el acero líquido del convertidor, se vierte en moldes con la forma de la pieza que se quiere obtener, posteriormente se deja solidificar y luego se extrae la pieza. A este proceso se le llama colada. El proceso de colada más empleado hoy en día es el de colada continua, cuyo objetivo es solidificar el acero en productos de sección constante. Una vez obtenida la pieza de acero se somete a un proceso de laminación para darle la forma y características deseadas. Detalle de laminación Productos de colada continua A continuación se muestra una colada convencional, que produce lingotes y una colada continua, que produce directamente los desbastes a partir de los que se fabrican los distintos perfiles. 20

21 Como hemos visto, el acero se alea con otros materiales para mejorar sus propiedades. La tabla siguiente muestra las propiedades que adquieren los aceros según el material aleante: Material aleante Carbono Silicio Manganeso Cromo Níquel Molibdeno Vanadio Volframio Propiedades Dureza Resistencia Elasticidad Aumenta la conductividad magnética Dureza Resistencia al desgaste Dureza Resistencia al calor y al rozamiento. Imprescindible para hacerlo inoxidable. Aumenta la tenacidad Resistencia a la tracción y la corrosión Dureza Resistencia al desgaste mecánico en caliente Dureza Resistencia al desgaste mecánico en caliente Tenacidad Resistencia al calor y a la corrosión Aceros comerciales La gran variedad de productos que reciben genéricamente el nombre de aceros, ha obligado a clasificarlos según su composición, características técnicas y aplicaciones. 21

22 Tecnología Bloque 04 - Materiales Aceros 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. 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 clasificar a su vez en : Estructurales. Son aquellos aceros que se emplean para diversas partes de máquinas, tales como engranajes, ejes y palancas. También se utilizan en las estructuras de edificios, construcción de chasis de automóviles, puentes y barcos. El contenido de la aleación varía desde 0,25% a un 6%. Para herramientas. Aceros de alta calidad que se emplean en herramientas para cortar y modelar metales y no-metales; taladros, escariadores, fresas, terrajas y machos de roscar. 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. o Aceros de baja aleación ultrarresistentes: Esta familia es la más reciente de las cuatro grandes clases de acero. Los aceros de baja aleación son más baratos que los aceros aleados convencionales ya que contienen cantidades menores de los costosos elementos de aleación. Sin embargo, reciben un tratamiento especial que les da una resistencia mucho mayor que la del acero al carbono. Por ejemplo, los vagones de mercancías fabricados con aceros de baja aleación pueden transportar cargas más grandes porque sus paredes son más delgadas que lo que sería necesario en caso de emplear acero al carbono. Además, como los vagones de acero de baja aleación pesan menos, las cargas pueden ser más pesadas. En la actualidad se construyen muchos edificios con estructuras de aceros de baja aleación. Las vigas pueden ser más delgadas sin disminuir su resistencia, logrando un mayor espacio interior en los edificios. o 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. 22

23 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. Normativa F. En España la norma UNE clasifica las aleaciones férricas según las denominadas series A los aceros les corresponden las series F100 a F700, a las fundiciones la F800 y a otras aleaciones férricas la F900. Cada país tiene su propia norma para clasificar a los aceros, aunque todas ellas son más o menos equivalentes. Por ejemplo: - Aceros para construcción (F100) - Aceros inoxidables y anticorrosión F300) Aceros inoxidables (F310) 2.2 NO FERROSOS Aunque los metales ferrosos son los más utilizados, el resto de los metales (los no ferrosos) son cada día más imprescindibles. Clasificación Se pueden clasificar en tres grupos Pesados: Son aquellos cuya densidad es igual o mayor a 5 gr/cm 3. Se encuentran en este grupo el cobre, el estaño, el plomo, el cinc, el níquel, el cromo y el cobalto entre otros. Ligeros: Tienen una densidad comprendida entre 2 y 5 gr/cm 3. Los más utilizados son el aluminio y el titanio. Ultraligeros: Su densidad es menor a 2 gr/cm 3. Se encuentran en este grupo el berilio y el magnesio, aunque el primero de ellos raramente se encuentra en estado puro, sino como elemento de aleación. Todos estos metales no ferrosos, es estado puro, son blandos y poseen una resistencia mecánica bastante reducida. Para mejorar sus propiedades, los metales puros suelen alearse con otros. Veamos algunos de los metales más usados: COBRE Propiedades: Es uno de los metales no ferrosos de mayor utilización. 23

24 Tecnología Bloque 04 - Materiales Tiene un color rojo-pardo. Su conductividad eléctrica es elevada Su conductividad térmica también es elevada. Es un metal bastante pesado, su densidad es 8.9gr/cm 3. Resiste muy bien la corrosión y la oxidación (El aire seco y el agua pura no lo atacan a ninguna temperatura, a la intemperie se recubre de una capa de carbonato verdosa cardenillo- que le protege de la oxidación posterior) Relativamente blando Es muy dúctil y maleable. Obtención del cobre Los minerales más utilizados para obtener cobre son sulfuros de cobre, especialmente la calcopirita. También existen minerales de óxido de cobre, destacando la malaquita y la cuprita. Los minerales de cobre suelen ir acompañados también de hierro. Existen dos métodos de obtención del cobre - La vía húmeda: Se emplea solamente cuando el contenido de cobre en el mineral es muy reducido (entre un 3-10%). Consiste en triturar todo el mineral y añadirle ácido sulfúrico y aplicar a la mezcla el proceso de electrólisis (es decir, aplicar una corriente continua introduciendo dos electrodos en la mezcla). - La vía seca: Se emplea solamente cuando el contenido de cobre supera el 10%. Se tritura y muele el mineral hasta reducirlo a polvo. Se separa por flotación el Cu de la ganga. El mineral pasa a un horno (proceso de tostación) donde se elimina el azufre y se forman óxidos de hierro y Cu. El material se introduce en un horno (calcinación) donde los óxidos de Fe se combinan con la sílice y forman la escoria, mientras se produce la mata blanca (sulfuro de Cu). La mata se somete a un proceso de reducción, similar a los empleados en siderurgia y se obtiene Cu bruto (pureza del 40%), mezclado con algo de óxido de Cu. Por último, para obtener un cobre de alta pureza se somete el líquido a un proceso electrolítico. El cobre tendrá una pureza del 99,9%. 24

25 Aplicaciones del cobre Su principal aplicación es como conductor eléctrico, pues su ductilidad le permite transformarlo en cables de cualquier diámetro. Por su alta resistencia a la oxidación se emplea en instalaciones de tuberías y calderas en intercambiadores de calor. Aleaciones del cobre Latones: Cu con Zn Menos resistente que el Cu Soporta mejor el agua y el vapor Uso en casquillos de ajuste de piezas mecánicas Se añade Cu (moldeabilidad), Sn y Al (resistencia a la corrosión marina). Pb (capacidad de mecanizado) para mejorar las propiedades. Bronces Cu con Sn (o cualquier otro metal menos el Zn) Alta resistencia mecánica Elevada resistencia a la corrosión Bronce de aluminio (cuproaluminio): 90% Cu 10% Al. Mayor dureza y resistencia a la oxidación y corrosión. Uso en industria para equipos expuestos a líquidos corrosivos ALUMINIO Propiedades: Es un metal muy ligero (Baja densidad: 2,75gr/cm 3 ) y muy resistente a la oxidación. 25

26 Tecnología Bloque 04 - Materiales Es un buen conductor eléctrico y del calor. Es muy dúctil y maleable. Color plateado Muy blando Obtención del aluminio El mineral del que se extrae el aluminio es la bauxita. El método de extracción tiene dos fases; se emplea un método llamado Bayer y después se combina con la electrólisis: o Se tritura y muele el mineral hasta reducirlo a polvo. o Se mezcla el polvo con sosa caústica, cal y agua caliente. o La sosa disuelve la bauxita, separándose los residuos en el decantador. o El material útil se llama alúmina, debe eliminarse todo el agua que posea y refrigerarse. Hasta aquí el método Bayer. Para obtener el aluminio, se disuelve la alúmina en una sustancia llamada criolita (fluoruro de aluminio y sodio Na 3 AlF 6, disuelve fácilmente el óxido de aluminio Al 2 O 3 ) a una temperatura de 1000 o C y se somete a un proceso de electrólisis que descompone el material en aluminio. 26

27 Aplicaciones: Se alea con otros metales (por ser muy blando aleaciones ligeras ) como Cu ( duraluminio construcción), Mg (industria aeronáutica y naval, automóviles y bicicletas), Si (construcción de motores), Ni y Co ( alnico imanes permanentes), Zn (aluminio duro y resistente a la corrosión) Por su baja densidad y conductividad relativamente alta, se emplea como sustituto del Cu en cables de gran longitud Por su resistencia a la corrosión se usa en utensilios de cocina, depósitos para bebidas, envolver alimentos, PLOMO Propiedades: Color gris plateado Densidad elevada (11,4gr/cm 3 ) Muy blando Baja conductividad térmica y eléctrica Flexible Maleable Aplicaciones: Por la alta densidad es opaco a las radiaciones electromagnéticas, se usa como escudo protector en instalaciones de radiología y centrales nucleares. Recipientes que contengan ácidos (baterías y acumuladores eléctricos) por su resistencia a la corrosión. Nunca debe usarse para contener alimentos. Es un veneno mineral. El organismo humano es incapaz de eliminarlo. La intoxicación por Pb se llama saturnismo y provoca intensos dolores intestinales, cefaleas, alucinaciones e hipertensión arterial. Puede contraerse por vía respiratoria, digestiva y cutánea. Aditivo del vidrio para dureza y peso (lentes) 27

28 Tecnología Bloque 04 - Materiales 3. MATE ATERIA IALES PLÁSTICOS Bajo el nombre de plásticos se engloba un variado grupo de materiales de origen orgánico cuya importancia crece día a día. Están constituidos por macromoléculas (moléculas gigantes) naturales o sintéticas de elevado peso molecular, cuyo principal componente es el carbono. Estas moléculas reciben el nombre de polímeros, de ahí que a los materiales plásticos se les conozca también por ese nombre. Las moléculas de alto peso molecular que constituyen los materiales plásticos se construyen por la repetición sucesiva de unidades químicas pequeñas y simples, llamadas monómeros, que se unen mediante una reacción llamada polimerización. Las moléculas que constituyen los polímeros se caracterizan por: Ser muy grandes (elevada masa molecular) Tener sus átomos unidos mediante enlaces covalentes Tener una estructura repetitiva Reacciones de polimerización Como hemos dicho, los polímeros están constituidos por la repetición de una unidad simple llamada monómero, los cuales se unen mediante una reacción química de polimerización. Se forma así una macromolécula en forma de cadena cuyos eslabones son los monómeros. El número de unidades simples que se repiten en una misma molécula se conoce como grado de polimerización (n). Existen dos tipos fundamentales de polimerización, la polimerización por adición o poliadición y la polimerización por condensación o policondensación. a) Poliadición: Consiste en la unión y repetición de un mismo monómero, de modo que la macromolécula final es múltiplo entero de la del monómero, no existiendo una liberación de subproductos. Esquemáticamente podemos representarla así: na A n donde n es el grado de polimerización 28

29 Ejemplo: El monómeroo etileno es CH 2 = CH 2 el cual, bajo una reacción de poliadición, se convierte en polietileno (se produce la rotura de un doble enlace de la molécula) n CH 2 CH 2 - (CH 2 - CH 2 ) n Entre los polímeros de adición, además del polietileno, se encuentran el PP, PVC, b) Policondensación: Los monómeros que van a formar el polímero son diferentes además, en la polimerización se produce el polímero y una pequeña molécula, generalmente H 2 O, NH 3, En este caso también existe una cadena con un grupo característico que se repite muchas veces, como es el caso de i. Poliamidas: - CO NH ii. Poliuretanoo - O CO NH iii. Poliurea: - - NH CO NH iv. Poliésteres: s: - CO- O Propiamente hablando, esta reacción no es una polimerización, puesto que además de la macromolécula resultante, se forman productos secundarios, de tal forma que la masa molecular del polímero, aunque sea elevada, no es un múltiplo exacto de la masa molecular del monómero. Entre los polímeros de condensación se encuentran el nailon, poliuretanos y poliéster. 3.1 Propiedades de los materiales plásticos. Los polímeros (plásticos) poseen las siguientes propiedades en común: Bajo coste de producción Alta relación resistencia/densidad, es decir que aun siendo ligeros poseen una resistencia mecánica notable. Se usan junto a aleaciones metálicas para construir aviones Elevada resistencia al ataque químico. Alta resistencia eléctrica, lo que los hace excelentes aislantes eléctricos. Pequeña conductividad térmica, por lo tanto son buenos aislante térmicos. Combustibilidad, la mayoría arden con facilidad. El color de la llama y el olor del humo suele ser característico de cada tipo de plástico. Plasticidad, muchos se reblandecen con el calor y, sin llegar a fundir, son fácilmente moldeables. Permite la fabricación de piezas complicadas 29

30 Tecnología Bloque 04 - Materiales Facilidad de procesado y versatilidad, su elevada plasticidad hace que las técnicas de fabricación sean sencillas; permite fabricar piezas según necesidades Facilidad para combinarse con otros materiales, permiten crear materiales compuestos con mejores propiedades, como el poliéster reforzado con fibra de vidrio. El principal inconveniente de los plásticos, es su bajo punto de fusión y reducida resistencia al calor, por lo que la mayoría no soporta altas temperaturas sin perder sus propiedades 3.2 Clasificación de los polímeros Según su origen: Naturales: Pueden encontrarse en la naturaleza, como el caucho. A partir de ellos se pueden fabricar otros polímeros de interés tecnológico. Sintéticos: Obtenidos de productos derivados del petróleo. Según su constitución: Homopolímeros: El monómero que se repite a lo largo de la cadena siempre es el mismo. Copolímeros: La unidad que se repite está formada por dos tipos distintos de monómeros. Según su comportamiento frente al calor: Termoplásticos Termoestables Elastómeros Termoplásticos Estos polímeros están formados por moléculas que forman cadenas lineales. Esta estructura interna hace que este tipo de plásticos tengan una determinadas propiedades. La más relevante es que a temperaturas relativamente bajas, los débiles enlaces intermoleculares se rompen, con lo cual el plástico se reblandece y puede fundirse. Esta característica le permite cambiarlo de forma infinitas veces (en teoría) y moldearlos, lo que permite recuperarlos para reciclarlos. 30

31 Si se funden y se moldean varias veces, sus propiedades físicas cambian de forma gradual, de manera que generalmente éstas disminuyen. Este tipo de plásticos se podría asemejar con la cera que, a temperatura ambiente, es sólida y que en cuanto se calienta, se ablandaa y se puede moldear de nuevo. Son de origen sintético La mayor parte de los polímeros de adición son termoplásticos. Ejemplos: Polietileno (bolígrafos, botellas de productos de limpieza, envoltorios, envases de alimentos...) PVC (Cortinas de baño, impermeables, platos, juguetes, tuberías, recubrimiento de cables,...), nylon, poliestireno, metacrilato, Termoestableses Estos polímeros se diferencian de los anteriores en que las cadenas moleculares se entrelazan entre sí formando una enorme estructura reticulada, es decir, una estructura tridimensional ordenada. En este tipo de polímeros los enlaces intermoleculares son fuertes y al calentarse, el plástico no se reblandece, por lo que no puede volverse a moldear otra vez por la acción del calor, por lo tanto, no pueden reciclarse mediante calor. En todo caso el plástico se descompone y se degrada, carbonizándose. Sufren un proceso de curado cuando se les da forma aplicando presión o calor; durante este proceso, las cadenas de polímeros se entrecruzan dando como resultado un plástico más rígido y resistente a las temperaturas, pero más frágil. Estos plásticos se podrían asemejar a la arcilla que, una vez moldeada y horneada, ya no hay posibilidad de volver a moldearla. Los termoestables son duros, aunque frágiles. Son de origen natural o sintético. La mayor parte de estos polímeros se obtiene por policondensación. Ejemplos: Resinas de poliéster, resinas fenólicas (material eléctrico, piezas de maquinaria, pomos y mangos de utensilios de cocina), resinas de urea o de melanina, 31

32 Tecnología Bloque 04 - Materiales Elastómero Este tercer tipo de plástico también se puede englobar dentro de los anteriores Están formados por grandes moléculas unidas por enlaces fuertes formando una red que puede contraerse o estirarse cuando los materiales son comprimidos o estirados, incluso pueden deslizarse unas cadenas sobre otras. Su característica común es que son plásticos muy elásticos (de ahí su nombre). Ello permite grandes deformaciones sin roturas, recobrando su forma inicial. No soportan bien el calor y se degradan a temperaturas medias, lo que hace que el reciclado por calor no sea posible. Un ejemplo el caucho natural 3.3 Aditivos A nivel industrial, se considera propiamente plástico a aquel polímero al que se le ha añadido algún aditivo para mejorar alguna de las propiedades o características buscadas. Podemos encontrar Colorantes: Dan el color al polímero Pigmentos: Dan el color al polímero, pero lo vuelven opaco. Plastificantes: Aumentan la resistencia al impacto. Estabilizantes: Aumentan la estabilidad a la degradación de la luz. 3.4 Identificación de los polímeros más utilizados TERMOPLÁSTICOS Polietileno (PE): Es uno de los plásticos más utilizados. Hay dos variedades: El polietileno de baja densidad (LDPE), cuya cadenas moleculares son muy ramificadas. Se emplea en láminas y bolsas, tubos de tinta en bolígrafos,... El polietileno de alta densidad (HDPE), cuyas cadenas moleculares son poco ramificadas. Se emplea en envases, juguetes, aislamientos eléctricos, envases para productos de limpieza El polietileno tiene textura sedosa, es flexible, tenaz y ligero. Teflón (PETFE: Politetrafluoroetileno): Tiene la misma composición que el polietileno, pero con átomos de flúor, en lugar de hidrógeno. Tiene una gran estabilidad química, es muy resistente a los ataques químicos y resistente a temperaturas relativamente altas. Es un buen aislante eléctrico y es antiadherente. 32

33 Polipropileno (PP): Es tenaz, ligero y barato. Se puede doblar muchas veces sin romperse. Se usa en cubos, carpetas, carcasas de electrodomésticos, botellas, resistentes, cañitas para beber, Cloruro de polivinilo (PVC): Hay dos variedades, la flexible y la rígida. En la forma flexible se usa mucho para recubrir conductores eléctricos, mangueras de jardín, y en la forma rígida, que tiene alta resistencia mecánica y dureza, su aplicación más conocida es en tuberías, canaletas, perfiles, marcos de puertas y ventanas, Poliestireno (PS): Es un plástico bastante frágil y ligero, pero muy resistente a los ataques químicos y a la humedad. Se usa para bandejas de comida, envases de yogurt, vasos y platos de plásticos, La variedad más conocida es el poliestireno expandido(eps) o porexpan (corcho blanco). El cual es muy ligero y excelente aislante térmico. Muy empleado para embalaje de objetos frágiles. Poliamidas (PA): El más conocido es el nylon. Plástico muy resistente a la tracción y tenaz. Se emplea para correas, engranajes, Polimetracrilato (PMMA): Conocido como metacrilato, es un plástico transparente que imita al vidrio, pero más tenaz, duro, rígido y transparente. Policarbonato (PC): Son plásticos de gran resistencia mecánica, térmica y química. Gran resistencia al impacto. Se emplea para cascos, viseras, armazones, ventanas de aviones, CD`s, Polietilentereftalato (PET): Es transparente e impermeable a componentes gaseosos como el CO2 de las bebidas gaseosas, resistente a los ácidos y temperaturas extremas. Se usa para botellas de refrescos, envases para horno y congelador, cintas de video y audio, ropa de tergal,... TERMOESTABLES Fenoles: (PF: Baquelita) Excelente aislante eléctrico y térmico. Alta dureza y rigidez. Se encuentra en mangos de de utensilios de cocina, placas de circuitos impresos electrónicos, mecanismos, Aminas: (MF: Melamina) Muy resistentes al calor, la humedad y la luz. Se emplea para forrar tableros de madera principalmente, recubrimientos para papel,. Resinas de poliéster: Es un plástico con alta resistencia mecánica. Se emplea para cascos de barcos, tejados, depósitos,paneles de coches, cañas de pescar, esquíes, Resinas Epoxi (EP): Buena resistencia mecánica y química, buenos aislantes eléctricos. Se usa en revestimientos de latas de alimentos, adhesivos, ELASTÓMEROS Siliconas: Tienen como base el silicio. Son resistentes a los agentes químicos, la humedad, el calor, a la oxidación. Se utiliza para sellar juntas contra la humedad, prótesis, recubrimientos, 33

34 Tecnología Bloque 04 - Materiales Caucho: Se obtiene del árbol del caucho. Se mezcla con azufre para aumentar la dureza y su resistencia a la tracción y agentes químicos. Se emplea en neumáticos, juntas, suelas de zapatos,. Neopreno: Es un caucho sintético incombustible. Se emplea para trajes de buceo, correas industriales,... Poliuretano: Se emplea para colchones, asientos, prendas de vestir elásticas (lycra o elastán). Pueden presentar la forma de espumas (es la famosa gomaespuma). 3.5 Métodos de conformado Existen varias técnicas para dar forma a los plásticos. Algunas de las más comunes son: Extrusión Inyección Compresión Soplado Moldeado al vacío Calandrado (Laminado/Hilado) EXTRUSIÓN: (termoplásticos) Se utiliza para hacer perfiles, tubos, mangueras, marcos de ventanas, Tienen que ser objetos de sección constante de manera que ambos extremos estén a la vez abiertos o cerrados, pero nunca uno abierto y el otro cerrado. Se introducen los gránulos de plástico, en la tolva y se funden dentro de la extrusora gracias a unos calentadores. A continuación, un tornillo sin fin presiona el plástico contra la boquilla, haciendo pasar la masa de plástico fundido a través de ella. La forma de la boquilla determina el aspecto final. Se obtiene una pieza continua de gran longitud y poca sección que es enfriada mediante un chorro de aire o agua fría 34

35 3.5.2 INYECCIÓN: (termoestables) Es una de las técnicas más utilizadas, ya que permite realizar formas complicadas con medidas muy diversas, como por ejemplo: vasos, platos, carcasas de móviles, cubos, engranajes de plásticos, El proceso es similar al de la extrusión. Se introducen los gránulos en la tolva de la extrusora, se funde gracias al calor suministrado por la resistencia situada en la parte externa del cilindro y el tornillo sin fin lo introduce a presión en el interior de un molde metálico donde fragua tomando la forma de éste. A continuación se enfría para que endurezca y luego se extrae el producto acabado del molde. Inyectora COMPRESIÓN: (termoestables) Usado para piezas grandes pero no muy complicadas, como objetos huecos de gran tamaño y poco espesor, como salpicaderos de automóviles. También para piezas que deban soportar altas temperaturas, como mangos de sartenes, asas de calderos, o piezas que deban ser aislantes eléctricos, como portalámparas, cajas de fusibles, o incluso pomos de puertas, pulseras, La pieza de plástico adquiere la forma cuando se aplica presión a una preforma de material plástico compactado. Para ello, colocamos el plástico en un molde de acero que se encuentra en una prensa hidráulica. Le aplicamos calor al plástico y a continuación le aplicamos presión con la prensa para que adquiera la forma del molde. El efecto de la presión y el calor une las partículas de plástico y produce un entrelazado de las cadenas del polímero. Esta es la reacción de curado, que permite formar un sólido uniforme, rígido y homogéneo. Después, la pieza es expulsada mecánicamente del molde. 35

36 Tecnología Bloque 04 - Materiales Método de compresión SOPLADO: (termoplásticos) Se utiliza para realizar todo tipo de envases y objetos huecos, como botellas de agua, detergente, En primer lugar, se crea una preforma (objeto con forma de tubo) mediante extrusión. A continuación, se introduce la preforma en un molde abierto en dos partes. Al unir éstas partes, se insufla aire caliente en su interior hasta que se adapta a la forma de las paredes. El plástico se endurece al contacto con las paredes, se abre el molde y se extrae la pieza. Método de soplado 36

37 3.5.5 VACÍO: Se usa para fabricar objetos con paredes muy finas como vasos, platos, envases para alimentos, máscaras, mapas en relieve, juguetes, Se coloca una lámina de plástico sobre el molde del objeto que se quiere fabricar. A continuación, se calienta la lámina usando unas resistencias eléctricas hasta que ésta se reblandece. Se ponen en contacto el molde y la lámina caliente y se extrae el aire que hay entre ellas para que el plástico se adapte a las paredes del molde CALANDRADO: Este método se utiliza para fabricar placas de PVC, láminas para invernaderos, carpetas, manteles, fibras textiles, Se introduce el plástico fundido procedente de una tolva en el interior de la calandra, y se hace pasar éste entre unos rodillos que, poco a poco, le dan forma de lámina disminuyendo el grosor en función del número de veces que pase entre los rodillos. 37

38 Tecnología Bloque 04 - Materiales También existen otros métodos, algunos variación de los mencionados hasta ahora, como rotacional (objetos de gran tamaño y huecos, como contenedores), inmersión (guantes, gorros de natación o recubrimientos de mangos de herramienta), espumación (se introduce aire en el plástico en forma de burbujas y luego se usan otros métodos como inyección, ). 38

39 4. FIB IBRAS TEXTILES Las fibras textiles son unidades de materia cuya longitud es muy superior a su diámetro y se emplean para fabricar tejidos. Varias fibras textiles constituyen el hilo, los cuales forman el tejido. Clasificación Según su longitud: Discontinuas: Su longitud es limitada. Las fibras naturales (salvo la seda) pertenecen a este grupo. Filamentosas: Su longitud es prácticamente ilimitada, depende de las condiciones de fabricación. Las fibras no naturales pertenecen a este grupo. Según su naturaleza: NATURALES QUÍMICAS Minerales Vegetales Animales Celulósicas Proteínicas Artificiales Algínicas (algas marinas) Minerales De poliadición Sintéticas De Policondensación Amianto Metálicas (oro, plata, cobre) De semillas: Algodón. Del tallo: lino, yute, cáñamo. De la hoja: esparto, pita. Del fruto: coco Del pelo: lana, mohair, cachemira, alpaca Del filamento: seda, tussur De la piel: cuero Rayones (seda artificial) De la caseína de la leche: lanitel De maíz: vícara. Rayón alginato Fibra de vidrio Polivinílicas Polietilénicas Polipropilénicas Poliuretano Poliamidas (nylon) Poliésteres Características que deben analizarse en las fibras textiles: Textura: Es decir, aspecto y sensación al tacto. Esta propiedad está determinada por la estructura microscópica de las fibras, especialmente la forma. Resistencia mecánica: Especialmente la resistencia a la tracción y por ende a la rotura. Propiedades eléctricas: Las fibras textiles son buenas aislantes. Resistencia a la humedad: Llamada reprise. El agua tiende a hinchar las fibras, especialmente aquellas de origen vegetal. 39

40 Tecnología Bloque 04 - Materiales Resistencia química: Especialmente a los álcalis y ácidos. Resistencia a la luz: El sol tiende a degradar la mayoría de las fibras. Resistencia al calor: En algunos casos tiende a carbonizar la fibra (origen natural) 4.1 Fibras naturales Algodón: Los tejidos de algodón son confortables, inertes, absorben fácilmente el sudor y en general el agua. Tienden a encoger y desteñir. Su precio es relativamente elevado. Lino: Tiene una alta resistencia mecánica y son muy elásticas. Es un buen conductor térmico, por lo que sus tejidos son frescos. Resiste mejor que el algodón las lejías (álcalis) y tienen tendencia a arrugarse. Lana: Tiende a desteñirse con la luz, tiene una resistencia mecánica relativamente baja que compensa con su elasticidad. Si está húmeda es poco resistente. Absorben mucho la humedad. Textura suave Seda: Es un filamento proteínico producido por el gusano de la seda. Es una fibra ligera, muy resistente a la tracción tanto en húmedo como en seco, absorbe rápido la humedad aunque es resistente a ella, se descompone rápido con el calor y la luz también la descompone. 4.2 Fibras artificiales Son aquellas fibras obtenidas a partir de productos naturales. La primera fibra artificial obtenida fue la seda artificial a finales del siglo XIX, también llamados rayones. Rayones: Tiene propiedades similares a la seda, pero es más barata, mejor resistencia química, aunque tienden a ser inflamables. La variedad más extendida es la viscosa. 4.3 Fibras sintéticas Son fibras obtenidas artificialmente a partir de productos que se elaboran por síntesis química en los laboratorios o industrias. La primera fibra sintética fue el nylon en 1938, que provocó una revolución industrial. Las fibras sintéticas introdujeron las siguientes ventajas. Gran duración y mayor resistencia mecánica. Fácil mantenimiento (se arruga menos) Mejor precio 40

41 Aunque presentan desventajas Absorben poco la humedad, es decir, transpiran menos Pueden producir alergias dérmicas. A pesar de ello, son las fibras más extendidas. Destacan: Fibras poliamídicas: siendo la más importante el nylon. Es muy elástica, tiene elevada resistencia mecánica y elevada resistencia al desgaste. Se degrada bajo la acción de la luz, pero inmune al moho y la humedad. Es inerte y no absorbe agua. Fibras de poliéster: Son muy resistentes al ataque químico y prácticamente inarrugables, aunque atraen el polvo fácilmente. Posee larga duración y fácil mantenimiento. Fibras de poliuretano: Destaca la licra. Son fibras muy elásticas. 41

42 Tecnología Bloque 04 - Materiales 5. LA MADERA De todos los materiales usados por el ser humano a lo largo de la historia, la madera fue el primero de ellos, gracias a una serie de propiedades como facilidad de conformado, bajo peso específico, agradable apariencia exterior, propiedades térmicas y mecánicas, Esto ha generado una industria muy importante. La explotación de los árboles para la obtención de madera da lugar a graves problemas medioambientales, porque si no se realiza la tala con unos criterios medioambientales, puede producirse una sobreexplotación que genera deforestación, pérdida de bosques primarios y, desertificación. Partes del tronco Un árbol es un vegetal leñoso con un tallo simple, llamado tronco, en su parte inferior, y ramificado en su parte superior (copa) Por madera se entiende la parte sólida de los árboles que se encuentra debajo de la corteza. Así, madera es el conjunto de tejidos, de cierta dureza, que constituyen la mayor parte del tronco y las ramas del árbol. La madera es un material fibroso formado por: Celulosa (50%) Lignina, que es el elemento que mantiene unidas a las fibras (30%). Es como el cemento de la madera. Otros elementos: resina, agua, almidón,... (20%) Si damos un corte transversal a un tronco de un árbol, distinguimos las siguientes partes, de dentro a fuera: Médula o duramen: Formada por células muertas que están muy lignificadas. Su aspecto es seco y duro. Albura o leño: De aspecto blanquecino, formada por células vivas en su parte exterior y es el responsable del transporte de la savia bruta desde la raíz del árbol hasta las partes aéreas. Durante el crecimiento del árbol, las células interiores mueren y pasan a engrosar el duramen. Cambium: Capa de células vivas entre la albura y la corteza interna. Durante su crecimiento da lugar a la formación de la albura y a nuevas células de la corteza interna Corteza interna: Es por donde circula la savia elaborada; está formada por células que poco a poco se desplazan al exterior formando la corteza externa. También se denomina floema o líber 42

43 Corteza externa: Formada por una capa de células muertas, que protege al árbol contra las inclemencias del tiempo y del ataque de insectos y parásitos. En la industria se aprovecha casi exclusivamente el tronco del árbol por tener mayores aplicaciones. Excepcionalmente se aprovechan las raíces y ramas gruesas para la obtención de maderas finas, con veteados espectaculares, en la construcción de muebles de diseño. La parte que interesa del tronco es el duramen (leño viejo del árbol en torno al centro, que es más seco y rígido), junto con la albura (leño joven del árbol, en torno al duramen, que contiene todavía células vivas que transportan agua y nutrientes). 5.1 Propiedades de la Madera Según el tipo de madera, edad del árbol, zona climática, las propiedades varían de unos a otros, pero de manera general, las maderas presentan las siguientes características: Baja densidad: Suelen ser menos densas que el agua (de ahí que floten). Conductividad térmica y eléctrica baja: La madera es un excelente aislante térmico (casas de madera en países fríos, por ejemplo). Las maderas ricas en agua son mejores conductores que las secas. Resistencia mecánica: A la tracción, compresión, flexión, cortadura, desgaste, Es muy resistente al esfuerzo de tracción (estirarse) y bastante resistente a la compresión (aunque la mitad de resistente que a la tracción). Hendibilidad: Es la facilidad con que se abren las fibras de la madera en sentido longitudinal. Hienden peor las maderas duras, las secas, las resinosas y con nudos. La madera hendible es poco apta para el clavado y para realizar encajes. Si el secado es brusco la madera tiende a abrirse. Retractabilidad o contracción: Pérdida de volumen al perder parte del agua Humedad: Cantidad de agua que tiene la madera en su estructura. Está relacionada con su peso y afecta a otras propiedades físicas y mecánicas. Elemento que se debe reducir para obtener una madera útil, desde un punto de vista tecnológico. Dureza: Es la resistencia que ofrece al corte. Aumenta con la densidad. Flexibilidad: Característica de las maderas jóvenes, verdes y blandas, que admiten ser dobladas sin romperse. Características estéticas: Color, veteado, olor, 5.2 Clasificación Las maderas pueden clasificarse de muy diversas formas, según el criterio que se considere. Así, podemos clasificarlas atendiendo a su: Dureza Humedad 43

44 Tecnología Bloque 04 - Materiales Según su dureza (es la más usual): o Maderas blandas: cuyos árboles tienen hoja perenne, son resinosos. Ej: pino, ciprés, abeto, cedro,... Son maderas ligeras, de crecimiento rápido (se observan bien los anillos), de color claro, nudos pequeños, fáciles de trabajar y de bajo coste. Se emplean para trabajos en los que no se necesita gran solidez: embalajes, cajas, tablas, mueble funcional sencillo, pasta de papel, o Maderas duras: cuyos árboles tienen hoja caduca. Ej: roble, castaño, nogal, olmo, caoba. Madera compacta, poca resina y escasos nudos, amplia gama de colores, de mayor densidad, de crecimiento lento (anillos anuales muy juntos, casi no se diferencian), más difíciles de trabajar, y en general de mayor calidad y precio. Se emplean en trabajos de ebanistería, muebles más compactos, instrumentos musicales, interiores de barco, andamios de obra, Según el grado de humedad: o Maderas verdes: Alto grado de humedad (30-35%). Maderas recién cortadas que no deben usarse para trabajos, pues al secarse por la contracción se encogen y agrietan. o Maderas desecadas: Se reduce el grado de humedad hasta el 10 12% por procesos naturales, apilándolas de manera adecuada y permitiendo que el aire circule entre las tablas para ir reduciendo el exceso de agua o Maderas secas: Se reduce la humedad hasta el 3% empleando procesos artificiales. Las maderas se secan de forma más rápida por métodos artificiales, en grandes hornos, consiguiendo la dureza y resistencia deseadas. 5.3 Obtención de la madera El proceso de obtención de la madera se compone de las siguientes etapas: 1. Tala: Es la primera operación para la obtención de la madera, y la calidad de ésta dependerá del aspecto y constitución del árbol y de la época de la tala, consiste en el corte del árbol por su base. Hay que tener en cuenta que un árbol es un ser vivo, por lo que necesita tiempo para desarrollarse, esto implica que hay que talarlos en su madurez, pues si se talaran todos los árboles de un 44

45 bosque a la vez, se necesitaría un tiempo demasiado largo para volver a explotar ese bosque. Para evitar esto, se utilizan varios métodos de talas sostenibles, siendo las más representativas: Método de talas parciales: Consiste en dividir el bosque en parcelas que se talan rotatoriamente y, dependiendo del ciclo de crecimiento del árbol, se talará la superficie correspondiente. Método de los árboles sembraderos: Si los árboles existentes poseen unas semillas que desarrollan fácilmente nuevos árboles, se puede talar prácticamente la totalidad del bosque, dejando algunos árboles diseminados que actuarán de reproductores Método de la tala selectiva: Los árboles se talan y transportan según su tamaño y calidad de todas las zonas del bosque. El coste de este método es alto, pero permite que el bosque se conserve en buen estado. Además de esto, debe realizarse una conservación de la masa arbórea, como cortar árboles de gran tamaño, que han alcanzado un crecimiento cercano al límite y, otros más pequeños que, previsiblemente, crecerán menos que otros, consiguiendo así que la competencia por el agua y la luz disminuya, dando lugar a un mejor crecimiento; cortar (podar) algunas ramas para que toda la energía que produce el árbol se destine a generar madera en el tronco o ramas gruesas. 2. Transporte: Para sacar la madera del bosque a la vía accesible más cercana se utiliza maquinaria especializada capaz de alcanzar cualquier zona del monte. Una vez aquí, son el camión y el ferrocarril los medios más utilizados. Si hay vías de agua se usan para transportar los troncos. 3. Descortezado: Es decir se le quita la corteza que envuelve el tronco. 4. Tronzado: Consiste en cortar los troncos en piezas más pequeñas 4. Troceado y despiece (aserrado): Conjunto de operaciones que se realizan para dividir el tronco en planos paralelos a un eje. El objetivo es conseguir piezas de unas dimensiones determinadas para su uso en taller. 45

46 Tecnología Bloque 04 - Materiales Algunos de los despieces más utilizados son los que se presentan a continuación 6. Secado: Antes de poder usar las tablas y tablones para fabricar objetos, es necesario reducir el grado de humedad hasta un valor inferior al 15%. Con esto se consigue evitar deformaciones posteriores, reducir el peso, con el consiguiente ahorro en transporte, incrementar la resistencia a distintos tipos de esfuerzos, reducir las posibilidades de ser atacada por hongos e insectos y dejarla en condiciones adecuadas para ser mecanizada. Hay tres métodos: Secado natural (Al aire libre): Apilando tablas y tablones en un lugar con buena ventilación, asilados del suelo y con espacios para que circule el aire. Es un proceso lento pero con buenos resultados. Secado artificial : Se elimina la humedad de forma rápida, y da muy buenos resultados, pero las instalaciones son más costosas. El secado se puede realizar por varios procedimientos, como aire caliente, vapor de agua, ozono, calentamiento eléctrico, Secado mixto: Combina los anteriores 7. Cepillado: Tiene como objetivo principal eliminar cualquier irregularidad y mejorar el aspecto final. 46

47 5.4 Productos deri rivados de la madera El trabajo de la madera, muchas veces requiere piezas de grandes dimen nsiones no disponibles en madera maciza. Para ello, se han h elaborado una serie de productos prefabric ricados de dimensiones y grosores variables, en los que qu se combinan virutas, chapas, aglomeranttes, para conseguir el producto adecuado. nte, en grosores que van Los más utilizados son los tableros, que se comercializan, normalmen entre 3 y 30 mm, y en dime mensiones de 1220 x 2440 mm. Existen multitud m de variantes de estostableros, aunque los más usa sados son: Aglomerado: Está com ompuesto de pequeñas virutas, fibras de madeera y serrín a lo que se ha añadido cola. Un na vez mezclado se coloca sobre planc lanchas de medidas normalizadas, presionánd ndolo fuertemente hasta que se haya secado. Se emplea en revestir techos, fondos de cajon nes, puertas, división de interiores,... Loss aglomerados son relativamente económ micos y pesados y se presentan en grandes tableros, lo que facilita el corte en piezas adaptadas a a la medida exigida. Contrachapado: Consiste siste en colocar, encolándola, láminas fina de madera noble una sobre otra. Se suelen disponer de modo que su veteado es perpendicular entre sí. El número nú de láminas es un número impar. Tableros de fibra: Tamb bién llamados tableros DM o táblex: Son tableros de madera aglomerada, pero en este caso la viruta ha sido previamente molida. El serrín molido es mezclado con cola o resina sintética y prensado. Maderas laminadas: En los últimos años, se ha incrementado el uso dee las maderas laminadas. El principio es el mismo que qu el de los tableros. Se parte de tablones macizos, y se curvan y encolan con formas propias de la co onstrucción: vigas, arcos, La diferencia fundamental está en el tipo de maderas elegidas, así como c en las colas y los tratamientos protectorees. Este tipo de producto haa permitido una importante renovación en la con nstrucción de estructuras, 47

48 Tecnología Bloque 04 - Materiales sobre todo en aquellos casos en los que la habitabilidad del producto supone una parte importante de su valor. Papel: Finalmente, otro derivado de la madera de gran utilidad, es el papel. Es una hoja delgada y lisa, preparado con fibras vegetales. Químicamente está constituida por celulosa impura, sustancia que forma el armazón de las plantas y que se encuentra en las células de los tejidos vegetales. Las propiedades físicas y químicas de las celulosas varían mucho según la procedencia, lo que le dará al papel unas cualidades diferentes. La mayor parte del papel se prepara con pasta de celulosa procedente de la madera, 55%, sobre todo de coníferas (pino, ), de otras fibras vegetales denominadas no madereras, como fibras de algodón y de lino en forma de desperdicios, trapos, papeles viejos, Para fabricar una tonelada de papel a partir de celulosa virgen, se necesitan 2400kg de madera, litros de agua y unos 7000kWh de energía; para obtener la misma cantidad con papel usado, se necesitan unos 2000 litros de agua y unos 2500kWh de energía. Esto implica, que se podrían salvar unos 8 millones de hectáreas de bosque al año, se evitaría el 73% de la contaminación y se obtendría un ahorro energético del 60%. 5.5 Aplicaciones de la madera La madera se ha utilizado tradicionalmente en la construcción en columnas y vigas, aunque actualmente ha sido sustituida por el hormigón y el acero. Sigue utilizándose en: Puertas, ventanas, marcos, muebles, Las de gran resistencia mecánica (pino, abeto, cedro) Muebles, carpintería interior. Las que presentan veteados vistosos y admiten un buen pulido (haya, fresno, nogal, roble) Muebles de lujo, esculturas, instrumentos musicales. Las exóticas (caoba, ébano). También se laminan en chapas delgadas, 0,4 0,6 mm, para revestir tableros de maderas más baratas. 5.6 Tratamientos de la madera Generalmente, la madera una vez trabajada, debe sufrir algún tratamiento complementario que garantice su protección de agentes externos (humedad, sol, hongos, insectos, ). Los recubrimientos protectores no influyen en la estructura de la madera, aumentan la duración del trabajo y facilitan su conservación y buen aspecto. Estos tratamientos consisten en la aplicación de pinturas, ceras, barnices, tintes,.. que, además de proteger, dan una estética adecuada. 48

49 En el proceso de secado, se emplean algunas sustancias para proteger la madera, como: sulfato de cobre (elimina los hongos), cloruro de cinc, azufre derretido, creosota (líquido oleaginoso derivado del alquitrán que protege de la intemperie), resinas, aceite de linaza, etc. 49

50 Tecnología Bloque 04 - Materiales 6. MATERIALES PÉTRE ÉTREOS Y CERÁMICOS Dentro de los materiales de construcción, además de los ya estudiados como madera y metales, existen otros como los pétreos y cerámicos. Propiedades generales Son materiales duros y frágiles. Es por esto que son resistentes al desgaste, aunque sufren fractura sin deformación si el esfuerzo es lo suficientemente alto. Son muy resistentes a la oxidación y a la corrosión. Puntos de fusión altos. Poca resistencia a la tracción. Económicamente asequibles. Suelen ser inertes (no tóxicos). 6.1 Rocas naturales Los materiales pétreos utilizados en la construcción son las rocas. Éstas son agregados de partículas minerales muy grandes y sin forma determinada que se encuentran en la naturaleza. Actualmente se utilizan principalmente para ornamentación. Son ejemplos, los granitos, mármoles y pizarras. Estos son materiales muy apreciados en la construcción, por ser muy resistentes a las condiciones medioambientales, pero presentan el inconveniente de tener un coste alto. Las rocas pueden ser: Ígneas: Proceden del enfriamiento de un magma. Formadas básicamente por silicatos, Al, Fe, Ca, Mg, Na y K. Según el enfriamiento sufrido, tienen estructura diferente: vítreas (brusco) y cristalinas. Se dividen en volcánicas y plutónicas. Las volcánicas son las que salen al exterior de la corteza: basalto o piedra pómez. Son porosas y poco resistentes. Las plutónicas no llegan a aflorar: granito, sienita o gabro. Son duras, resistentes a la intemperie y a los esfuerzos de compresión. Sedimentarias: Partículas de gravas, arenas, que han sido arrastradas por los agentes atmosféricos y que se han asentado en determinadas zonas. Se presentan en forma de estratos y pueden cuartearse fácilmente. No son tan duras como las ígneas. Las más utilizadas son: silíceas (arenas, gravas), arcillas y calizas. 50

51 Las silíceas están formadas por arenas y gravas, consolidadas con otros materiales (arenisca). Se usan básicamente como revestimiento. Las arcillosas proceden de las rocas ígneas, formadas por silicatos de aluminio (caolín). Usadas para cemento y ladrillos. Las calizas se usan en construcción, como revestimiento o como conglomerantes. Tienen elevada resistencia a la compresión. Calcita: carbonato de calcio y yeso. Metamórficas: Si las rocas anteriores sufren grandes presiones y elevadas temperaturas, se producen transformaciones en la estructura cristalina de las rocas y dan lugar a las metamórficas. Las más importantes son los mármoles, pizarras y gneis. El mármol es carbonato de calcio, admite el pulimento y se emplea principalmente como piedra ornamental. La pizarra está formada por arcilla y esquistos (roca de grano muy fino). Se exfolia fácilmente en láminas y se usa principalmente para techumbres. El gneis se usa principalmente en pavimentos. 6.2 Materiales cerámicos Bajo esta denominación están los elementos fabricados a partir de materiales terrosos cocidos. Las materias primas son arcilla (le da consistencia) o caolín (que es un tipo de arcilla muy pura y le aporta color blanco y textura fina) que, una vez moldeada, se somete a un proceso de secado y cocción posterior que le hace perder agua y convierte a estos materiales en duros pero frágiles. Son silicatos de aluminio hidratados. Se emplean también aditivos como cuarzo, colorantes y fundentes. Se caracterizan por ser: Químicamente inertes Plásticos cuando se introducen en agua Duros y frágiles en ausencia de agua Resisten altas temperaturas Baja porosidad Se clasifican como Cerámicos porosos: No han sufrido vitrificación (que adoptan un aspecto similar al vidrio), pues no llega a fundirse el cuarzo con la arena. Destaca la arcilla cocida y la loza (cuya materia prima es la arcilla). Cerámicos impermeables: Ha sufrido vitrificación, pues la mezcla ha sido sometida a altas temperaturas y el cuarzo llega a fundirse con la arena. Destacan el gres y la porcelana (cuya materia prima es el caolín). Veamos algunos de los más usados: o Ladrillos y tejas: fabricados con arcilla de muy diversa calidad, según la zona 51

52 Tecnología Bloque 04 - Materiales geográfica de procedencia. Una vez moldeados se secan y cuecen a o C, lo que aumenta su resistencia mecánica. Existen muchas calidades y formas según la aplicación deseada. o Azulejos y pavimentos cerámicos: hechos con arcillas especiales que, durante su moldeo, se prensan a altas presiones y se revisten de un material (barniz coloreado) que, tras el proceso de cocido presenta una dureza alta. o Porcelana y loza: a base de caolín, arcillas blancas, sílice y feldespato finamente pulverizados. La porcelana está totalmente vitrificada tras ser sometida a dos procesos de cocción; sin embargo, la loza sólo presenta su cara externa vitrificada. Poseen una especial resistencia al calor y a agentes químicos por lo que, más que en construcción, se emplean para material de cocina y sanitarios (loza), laboratorio, aislantes eléctricos (porcelana) o Materiales refractarios: Formados por arcillas refractarias, de alto contenido en sílice. Se usan para revestimiento de hornos industriales (altos hornos y convertidores) y otras aplicaciones, donde deben resistir altas temperaturas sin fracturarse. Soportan entre o C. Para temperaturas superiores se añade un aglomerante orgánico. o Vidrio: material cerámico formado por la fusión a altas temperaturas >1000 o C) de: Arena o sílice (SiO 2 ), un 75%, es el elemento principal, le confiere resistencia mecánica - sosa (NaCO 3 ), un 15%, actúa como fundente, bajando el punto de fusión Caliza (CaCO3) en un 10%, es un estabilizante. Le suministra dureza y brillo Otros componente que dependerán del tipo de vidrio a obtener (colorantes, ) Es un material duro, transparente, con estructura amorfa (no cristalina) y con elevada resistencia a la tracción. o Fibra de vidrio: Se obtiene mediante extrusión de la masa de vidrio a través de unas boquillas con diámetro inferior a 0,1 mm. Los hilos obtenidos se deshilachan con vapor recalentado y posteriormente se secan. A continuación unos rodillos los estiran para aumentar su resistencia. Se les somete a una ligera torsión y se enrollan en una bobina. Con la fibra de vidrio se producen filamentos a partir de los que se obtienen tejidos y fieltros que se emplean como aislantes térmicos y acústicos. También se usan para reforzar planchas de escayola y distintos tipos de plásticos Existen algunas enfermedades generadas por la manipulación de materiales cerámicos y que pertenecen a grupo de las neumoconiosis (polvo de minerales: acero, ). De ellas, la silicosis es producida como consecuencia de la inhalación prolongada de polvo de sílice (expectoración, fatiga, descompensación cardiaca y muerte) 52

53 6.3 Materiales aglomerantes Son materiales con propiedades adhesivas que, amasados con agua, fraguan (compactan materiales) primero y endurecen después. Los más importantes son la cal, el yeso y el cemento. Cal: es el producto resultante de la descomposición de las rocas calizas (CaCO 3 ), según la reacción: CaCO 3 + calor CaO + CO 2 Se produce en hornos de cal denominados caleras a temperaturas cercanas a los 900 o C. El producto obtenido es la cal viva u óxido de calcio. Este óxido reacciona de manera exotérmica con el agua, alcanzando los 160 o C y originándose hidróxido de calcio, también llamado cal apagada. CaO + H 2 O Ca(OH) 2 + calor La cal apagada se endurece lentamente al aire por un proceso de carbonatación (absorción de CO 2 ) produciéndose de nuevo carbonato cálcico y actuando como aglomerante. Este proceso sólo se produce en aire seco y acaba a los seis meses. Esta cal se denomina aérea y experimenta una contracción durante el fraguado que puede dar lugar a la formación de grietas. En Canarias aún existen antiguos hornos de cal que fueron explotados hasta los años sesenta, cuando la cal fue sustituida por el cemento como aglomerante. Las piedras calizas se extraían de las islas orientales. De hecho, la industria de la cal fue muy importante en Fuerteventura, donde, en el año 1964, se exportaron más de toneladas de este producto. Yeso: Es una sustancia natural que se obtiene a partir de las piedras de yeso (sulfato cálcico dihidratado; CaSO 4 2H 2 O). Se extrae en canteras de superficie, se tritura y se cuece a altas temperaturas (450 o C) para provocar su deshidratación. Es un material barato ya que, ni el proceso de extracción ni el de obtención requieren grandes aportes energéticos. Material conocido desde el tiempo de los egipcios y muy empleado por lo árabes. Fragua en contacto con el agua. Se adhiere muy bien a infinidad de elementos salvo la madera. Tampoco debe usarse en la sujeción de materiales férricos, pues provoca su oxidación inmediata. Su principal inconveniente es que es higroscópico (absorbe mucho la humedad), por lo que no debe emplearse para exteriores. 53

54 Tecnología Bloque 04 - Materiales Se clasifica en: Yeso negro: Obtenido de modo tradicional. Se usa para enlucidos de obras no vistas. Yeso blanco: Mayor pureza que el anterior, mejor molido. Se usa en enlucidos y estucados (yeso blanco + agua de cola) de paredes vistas Escayola: Yeso de mayor calidad, molido hasta obtener polvo impalpable. Se usa en acabados, molduras y decoración de interiores. Cemento y hormigón: El cemento se considera un aglomerante (especie de pegamento) en forma de polvo que tiene la propiedad de endurecer (fraguar) una vez que se le ha añadido agua y se ha dejado secar, incluso en ausencia de oxígeno. Cuando fragua adquiere una buena resistencia a la compresión. Existen muchas variedades de cemento, aunque la más conocida y empleada es el cemento Portland. Es una mezcla de cal (CaO, 60 67%), sílice (SiO 2, 17 25%) y alúmina (Al 2 O 3, 3,6 8%), también algo de óxido de hierro y de magnesio (Fe 2 O 3, 0,5 6% y MgO, 0,1 5%) que fragua cuando se mezcla con agua. fases: Su proceso de fabricación consta de las siguientes Preparación del crudo. Las materias primas se extraen de las canteras, se trituran y se muelen, mezclándose a continuación, bien sea en seco o en húmedo. Calcinación. La mezcla se calcina en un horno rotatorio que gira sobre un eje inclinado, a una temperatura entre o C. Se forma una masa de granos duros, de 3 20mm de diámetro, que recibe el nombre de clínquer. En el extremo inferior el clínquer pasa a unos enfriadores y se almacena. Molienda. Se muele el clínquer en unos molinos enfriados exteriormente con agua para favorecer la disipación del calor liberado. Durante esta operación se le añade yeso (2-3%), para regular el fraguado posterior del cemento. Una vez molido se almacena en silos (lugar subterráneo seco y oscuro) y se envasa en sacos o bien se transporta en cisternas. La reacción de fraguado de este cemento tiene lugar en dos fases: la primera es rápida, en unas 24 horas; la segunda consiste en un endurecimiento lento, lo que requiere tiempos cercanos al mes. Las características del cemento son: 54

55 o Baja resistencia a la tracción o Alta resistencia a la compresión o Es atacado lentamente por el agua, ácidos diluidos y algunas soluciones salinas o Baja relación coste/peso En aplicaciones se usa mezclado con áridos (arena, gravilla, o grava) como aglomerante en construcción en forma de mortero (sin grava), como material de construcción en el hormigón, como cemento prensado en losetas para pavimentos y piezas prefabricadas en funciones de ladrillería, El hormigón es la mezcla de cemento, arena y agua al que se le suele añadir grava. Las proporciones de los componentes depende del tipo de hormigón que se desee (dureza, tiempo de fraguado, resistencia a agentes ambientales, ). La cantidad de cemento/m 3 de hormigón influye en su impermeabilidad y en su resistencia mecánica, pero a la vez aumenta su contracción durante el fraguado provocando grietas, por lo que no debe sobrepasarse el límite de 460kg/m 3. Es un material muy resistente a la compresión, pero no a la tracción, por lo que no es adecuado para vigas. Para mejorar esta propiedad, es necesario recurrir al hormigón armado y al hormigón pretensado. El hormigón armado se obtiene añadiendo al hormigón fresco una armadura de varillas o barras de acero debidamente dimensionadas. Se consigue así un material resistente tanto a la tracción como a la compresión. La obtención de estructuras de hormigón armado se realiza de la siguiente manera: se dispone de un encofrado o molde con la forma del elemento de construcción que se desea conseguir, se introduce en él la armadura de acero y se vierte el hormigón fresco en el interior del encofrado de modo que recubra y envuelva la armadura. Cuando el hormigón ha fraguado se retira el encofrado y se obtiene el elemento. En el caso de una viga, la armadura se sitúa en la zona inferior del elemento, sometida a esfuerzos de tracción, mientras que la masa de hormigón se acumula en la zona superior sometida a esfuerzos de compresión. Así, las vigas soportan bien los esfuerzos de flexión. El recubrimiento de hormigón, una vez fraguado, garantiza la impermeabilidad de la estructura y por tanto la inoxidabilidad de la armadura de acero. Como la unión entre el hormigón y el acero es puramente mecánica, es conveniente que las barras de refuerzo estén retorcidas o posean salientes superficiales, incrementando así la adherencia y evitando el deslizamiento. El hormigón pretensado es necesario cuando los esfuerzos de tracción a los que se somete el hormigón armado son muy grandes. En este caso, las barras de las armaduras pueden experimentar dilatación elástica, con lo que el hormigón que las recubre se rompe. 55

56 Tecnología Bloque 04 - Materiales Para mejorar esta resistencia a la tracción, hay que tensar las barras de acero para compensar la dilatación. Así se obtiene el hormigón pretensado, que es una variedad del hormigón armado cuyas barras han sido tensadas. La principal ventaja del hormigón pretensado deriva del menor coeficiente económicoresistente de los alambres de acero especial que se emplean, debido a la posibilidad de alcanzar enorme resistencias gracias a los procesos de trefilado (reducción de la sección) a que son sometidos y que permiten obtener alambres de pequeños diámetros. 56

57 7. COMPO POSITES Estos materiales combinan la materia plástica y el refuerzo con fibras. Aunque su coste es más elevado que el de los materiales tradicionales, aportan a sus usuarios importantes ventajas gracias a sus propiedades, en particular la ligereza y la resistencia, lo que ha dado lugar a un importante mercado en el campo de la construcción de automóviles, la aeronáutica y la construcción. Los materiales compuestos están integrados por una matriz orgánica, polímero (termoplástico o termoestable), y una estructura de refuerzo que puede presentarse en forma de partículas, fibras cortas, largas o continuas. Los refuerzos que más se usan son las fibras, normalmente de vidrio, de carbono o de aramida (fibras e hilos sintéticos obtenidos a partir de poliamidas; conservan buenas propiedades mecánicas a temperaturas elevadas. Sustituyen a fibras de vidrio y metal. Se usan en neumáticos, chalecos antibalas, ingeniería aeroespacial, aviación). Según las características de la matriz y de los refuerzos, se distinguen generalmente dos grandes familias: De gran difusión, no excesivamente caros, ocupan una cuota importante del mercado De altas prestaciones, normalmente reforzados con fibras continuas de carbono o de aramida y reservados para sectores de alto valor añadido: aeronáutica, medicina, deportes y recreo. Estos materiales compuestos, presentan una serie de propiedades que los distingue de los tradicionales: Resistencia mecánica y química (corrosión) Aumenta la vida útil gracias a su resistencia a la fatiga Mantenimiento reducido Resistencia a los impactos y al fuego Aislamiento térmico, sonoro y a veces eléctrico. Simplicidad de diseño por facilidad de conformado Ligereza El coste de fabricación de los composites es bastante superior al de los materiales tradicionales, como el acero, la madera o el aluminio, pero ahorrando piezas de encaje y mecanización, reduciendo de manera importante los gastos de mantenimiento y aumentando la vida útil y la seguridad, las ventajas de los materiales compuestos pueden valorizarse en términos de beneficios con el uso. 57