Metales Versión 1.0 Índice: 1. Introducción a los metales 1 2. Metales férricos 2 3. Metales no férricos 4 4. Metales en el taller 6 5. Metales en la industria 8 Este texto es la versión offline/imprimible de uno de los capítulos del libro de texto multimedia de la web educativa. Todos los derechos reservados. Se permite a los alumnos que han comprado una suscripción a la versión individual del libro que incluya este capítulo, y a los profesores de estos alumnos, mantener una copia de este archivo PDF y/o imprimirlo, en ambos casos para uso exclusivamente personal. En todos los demás casos no está permitida la reproducción total o parcial de esta obra, ni su almacenamiento en un sistema informático, ni la distribución mediante cualquier medio electrónico, mecánico u otros sin el permiso previo y por escrito de los titulares del copyright.
1. Introducción a los metales 1.1. Qué son los metales? El término metal se usa para denominar a los elementos químicos que tienen estas características: - Son buenos conductores del calor. - Son buenos conductores de la electricidad. - Tienen una densidad alta, es decir, son materiales pesados. - Son sólidos a temperatura ambiente (excepto el mercurio, que es líquido). - Se funden (se vuelven líquidos) cuando se calientan a una temperatura elevada. - Brillan a la luz. Bien de forma permanente, como el oro o el cromo, o bien cuando son pulidos. También se usa el término metal para referirse a las aleaciones. Las aleaciones son mezclas de dos o más elementos, de los cuales al menos uno debe ser un metal. El acero, el bronce y el latón son algunas de las aleaciones más comunes. 1.2. Otras propiedades de los metales Además de las características anteriores, otras propiedades destacables de los metales son: - Se dilatan al ser calentados y se contraen al ser enfriados. - Generalmente sufren procesos de oxidación y corrosión: el aire y el agua suelen estropearlos. - Son bastante tenaces: resisten bien los golpes sin romperse. - Muchos metales son maleables: se pueden convertir en láminas o chapas de poco grosor. - Muchos metales son dúctiles: se pueden fabricar alambres o hilos con ellos. - Tienen bastante resistencia mecánica: resisten bien los esfuerzos de tracción, compresión, torsión, flexión y cizalladura sin deformarse ni romperse. - Algunos metales son magnéticos: son atraídos por los imanes. - Tienen un punto de fusión (temperatura a la que se funden) muy alto. 1.3. Obtención de los metales Muy pocos metales se encuentran en la naturaleza en estado puro; básicamente el oro, la plata y, a veces, el cobre. Lo más habitual es que estén combinados con oxígeno (óxidos) o con azufre (sulfuros), formando parte de algún mineral. El aprovechamiento de los metales es un proceso largo y complejo que consta de tres pasos: 1. Minería: consiste en extraer los minerales de la corteza terrestre. Las excavaciones, pozos y galerías que se practican en la tierra para obtener los minerales se llaman minas. 2. Metalurgia: se encarga de separar el metal del interior del mineral. Una parte destacada de la metalurgia es la siderurgia, que está especializada en el hierro. La industria metalúrgica consume minerales ricos en metales y genera productos semielaborados como lingotes, chapas, perfiles, etc. 3. Fabricación de productos acabados: finalmente se toman los productos elaborados en las industrias metalúrgicas (como la chapa de acero) y se fabrica un producto útil (un automóvil, por ejemplo). Esta operación se realiza en las industrias de transformación. 1.4. Formas comerciales de los materiales metálicos Como hemos visto, la industria metalúrgica genera productos metálicos semielaborados, que después compran las industrias de transformación. Las formas comerciales más habituales de estos productos semielaborados son: barras y perfiles de diferentes secciones, alambres, chapas y lingotes. 1.5. Clasificación de los metales Los metales se pueden clasificar en dos grandes grupos, según contengan o no hierro: metales férricos y metales no férricos. Además, los metales férricos se clasifican, según la cantidad de carbono que contengan, en: hierro dulce, acero y fundición. Los metales no férricos se clasifican en función de su densidad. 1.6. Impacto medioambiental El uso de materiales metálicos, como el de otros materiales, genera un impacto medioambiental considerable. Podemos destacar tres aspectos: - Extracción de minerales: en las minas, especialmente las que son a cielo abierto, se mueven una gran cantidad de tierras, generándose una agresión radical al paisaje. - Industria metalúrgica: el proceso de obtención de metales a partir de los minerales es muy contaminante. Se emiten a la atmósfera gases de efecto invernadero, se consumen grandes cantidades de electricidad y se generan lodos tóxicos perjudiciales para la flora y la fauna. - Productos desechados: en nuestra sociedad de consumo se generan grandes cantidades de residuos metálicos: envases, automóviles, maquinaria, barcos, etc. Estos residuos se acumulan en los vertederos si no son reciclados. Reciclado: El reciclado es una buena manera de reducir el impacto ambiental porque los metales se pueden fundir y conformar infinidad de veces. Para ello hay que: - Recoger: se retiran los productos metálicos inservibles y se recupera el metal aprovechable que contienen. - Reciclar: el material recuperado se clasifica según su composición (tipos de metales y aleaciones) y se prepara para enviarse de nuevo a la industria metalúrgica. Con ello conseguimos reducir la extracción de materia prima de la naturaleza. 1
2. Metales férricos 2.1. Introducción a los metales férricos Los metales férricos son los que contienen hierro, es decir, el hierro puro y sus aleaciones (mezclas de hierro con otros elementos). Son los metales más utilizados, ya que el hierro es un elemento fácil de encontrar en la naturaleza (constituye el 5 % de la corteza terrestre), son relativamente económicos (comparado con otros metales) y tienen buenas características técnicas. El hierro en estado puro se utiliza muy poco debido a su escasa resistencia mecánica. Los metales férricos más usados son aleaciones de hierro con carbono (los aceros y las fundiciones). En la antigüedad la producción de armas de hierro era de gran importancia, ya que suponían una gran ventaja militar. En la actualidad los metales férricos son una parte significativa de la economía: puentes, estructuras en la construcción, barcos, herramientas, etc. 2.2. Productos siderúrgicos Los distintos productos que se obtienen a partir del hierro se denominan productos siderúrgicos (recuerda que la siderurgia es la metalurgia del hierro, es decir, la transformación de mineral de hierro en metales útiles). Como hemos visto, el hierro en estado puro tiene poca resistencia mecánica, por lo que no tiene muchas aplicaciones. Para hacerlo más resistente, y por lo tanto más útil, es necesario alearlo con pequeñas cantidades de carbono. Los productos siderúrgicos se clasifican en tres grandes grupos, en función de su contenido en carbono. Son el hierro dulce, los aceros y las fundiciones. Hierro dulce: Tiene menos de un 0,1 % de carbono, se puede considerar hierro puro. Los herreros tradicionales lo llamaron "dulce" porque se puede forjar (dar forma golpeándolo con un martillo) con facilidad. A los metales que eran difíciles de forjar los llamaron "agrios". Se utilizaba bastante en la antigüedad, hoy ha sido sustituido por el acero. - Color gris claro, casi plateado. - Dúctil (se puede convertir en hilos) y maleable (se puede convertir en láminas). - Se oxida con gran facilidad. - Difícil y costoso de obtener. Tiene pocas aplicaciones a causa de su baja resistencia mecánica (se rompe fácilmente). Su principal utilidad es la fabricación de núcleos de electroimanes, ya que el hierro dulce no queda imantado permanentemente al ser sometido a un campo magnético. Acero: Se denomina acero a los productos siderúrgicos que tienen un porcentaje de carbono entre el 0,1 y el 1,76 %. Es el material férrico más usado. La mayoría de objetos de hierro que encuentras en tu vida cotidiana son, en realidad, de acero. Cuanto mayor es el contenido en carbono de un acero, mayor es su dureza y su resistencia a la tracción, pero se incrementa su fragilidad (será menos resistente a los golpes). Los aceros que están formados exclusivamente por hierro y carbono se denominan aceros al carbono o aceros comunes. A continuación puedes ver las propiedades y alguna de las aplicaciones de los aceros comunes. - Muy resistentes a los esfuerzos mecánicos - Fáciles de soldar. - Poco resistentes a la corrosión. - Precio moderado. Son muy numerosas: estructuras, vehículos, herramientas, clavos y tornillos, etc. Los aceros aleados, además de hierro y carbono, tienen otros elementos que han sido introducidos expresamente con el fin de mejorar alguna de sus propiedades. Un ejemplo de acero aleado es el acero inoxidable. Se trata de un acero que contiene cromo (como mínimo un 12 %). El cromo hace que el acero tenga un acabado brillante y le da resistencia a la oxidación y la corrosión. Tiene muchas aplicaciones: cuberterías, baterías de cocina, electrodomésticos, mobiliario, etc. Fundición: Las fundiciones tienen un porcentaje de carbono situado entre el 1,76 % y el 6,67 %. Se les llama fundición, a veces también hierro colado, porque se funden fácilmente y tienen mucha fluidez en estado líquido. Se utilizan para fabricar piezas vertiendo la fundición líquida en un molde. - No son dúctiles ni maleables. - Generalmente no se pueden forjar ni soldar. - Son menos resistentes (soportan menos esfuerzos) y son más frágiles (se rompen si reciben un golpe) que el acero. - Más baratas que el acero. - Bancadas de máquinas herramienta. - Bloques de motores. - Mobiliario urbano: fuentes, farolas, etc. 2
2.3. Siderurgia Obtener los distintos productos siderúrgicos a partir del mineral de hierro requiere un largo proceso de transformación. A continuación estudiaremos los pasos más importantes que hay que seguir para obtener el acero, el metal férrico más importante. Obtención del mineral de hierro Aunque el hierro es muy abundante en la naturaleza no se encuentra en estado puro sino unido a otros elementos (básicamente al oxígeno, está oxidado) formando parte de diversos minerales. Algunos de los minerales que se utilizan para obtener hierro son la hematita, la magnetita, la limonita y la siderita. En las minas, normalmente minas a cielo abierto, se extrae el mineral de hierro y se carga en camiones que transportan el mineral hasta la industria siderúrgica. Separación de la mena y de la ganga En la industria siderúrgica se transforma el mineral de hierro en metal. El primer paso para obtener el metal es separar la parte del mineral que tiene hierro, la mena, de la parte formada por otros elementos y que no tiene utilidad, la ganga. El método más usual consiste en triturar el mineral y sumergirlo en agua. Como la mena (la parte del mineral rica en hierro) tiene mayor densidad que la ganga (las impurezas), se deposita en el fondo. De esta forma se consigue un material que tiene un contenido en hierro del 70 %. Queda un 30 % de impurezas, un porcentaje todavía muy importante que debemos seguir eliminando. La mayor parte de estas impurezas se eliminarán en el siguiente paso: el alto horno. Alto horno Para eliminar el resto de impurezas del mineral de hierro se utiliza un alto horno, que recibe este nombre por su gran altura (puede llegar a medir 80 metros de alto). Se trata de un horno que se alimenta por la parte superior y cuyo producto se extrae por la parte inferior. Primer paso. Carga del alto horno: En el alto horno se introducen: a) La mena: la parte rica en hierro del mineral (tiene un 70 % de hierro, el resto son impurezas). b) Carbón de coque (un tipo de carbón con alto contenido de carbono). Sirve para: - Proporcionar calor al horno al ser quemado. - Reducir el óxido de hierro del mineral, es decir, separar el hierro del oxígeno. c) Fundente: es carbonato cálcico. Reacciona con las impurezas del mineral y las hace menos pesadas (se eliminarán por decantación). Podemos decir que es el "detergente" que utilizamos para limpiar el hierro. Segundo paso. Encendido del alto horno: En la parte inferior del horno se inyecta aire caliente a través de toberas. El carbón de coque comienza a quemarse y proporciona calor al horno. Al cabo de un tiempo la temperatura en la parte inferior del horno, el crisol, es de 1800 ºC. A esta temperatura se producen una serie de reacciones químicas que hacen que el hierro contenido en el mineral se libere y empiece a gotear, acumulándose en el crisol. Tercer paso. Extracción de los productos: Por la parte inferior del alto horno salen: a) Arrabio: es el hierro líquido que se ha liberado del mineral. Está compuesto por un 92 % de hierro, un 3 o 4 % de carbono e impurezas de silicio, manganeso, fósforo y azufre. El arrabio es muy pesado, se acumula en la parte baja del horno. Allí hay un orificio por donde puede salir. b) Escoria: Es el residuo formado por la reacción del fundente con la mayoría de impurezas del mineral de hierro. Como pesa menos que el arrabio, queda flotando encima y puede ser separado fácilmente. Los altos hornos nunca paran. Continuamente se están cargando de materias primas y extrayéndose los productos. Obtención de acero La mayoría del arrabio que se produce en los altos hornos, el 75 % aproximadamente, se destina a la fabricación de acero, que es el producto siderúrgico más usado. Esta operación se denomina afino del arrabio y consiste básicamente en eliminar parte del carbono que tiene. El arrabio tiene entre un 2 y un 3 % de carbono, para convertirlo en acero es necesario reducir este porcentaje y dejarlo, como máximo, en el 1,76 %. El método más común para obtener acero es utilizar un convertidor de oxígeno. Cómo funciona? 1. El arrabio líquido que sale del alto horno se vierte en el convertidor. 2. También se introduce chatarra de acero (piezas recicladas procedentes de coches, electrodomésticos, etc.) y fundente (carbonato cálcico que sirve para eliminar las impurezas). 3. A continuación se inyecta oxígeno a presión mediante una lanza. El oxígeno reacciona con el carbono del arrabio y genera dióxido de carbono, que se va en forma de gas. 4. Como resultado del afino se obtiene acero (recuerda que el acero es una aleación de hierro que contiene entre un 0,1 y un 1,76 % de carbono). La mayoría de impurezas que había en el arrabio reaccionan con el fundente y forman la escoria, que queda flotando encima del acero y son eliminadas por decantación. 3
3. Metales no férricos 3.1. Introducción En la miniunidad anterior vimos que el componente principal de los materiales férricos es el hierro. En esta miniunidad estudiaremos los metales no férricos, que son aquellos que no contienen hierro. Los metales no férricos son más caros y difíciles de obtener que los férricos, sin embargo tienen algunas propiedades que los hacen necesarios en muchas aplicaciones: - Resisten mejor la oxidación y la corrosión. - Conducen mejor la electricidad y el calor. - Funden a temperaturas más bajas. - En general son más fáciles de mecanizar, es decir, es más fácil de dar forma mediante la eliminación de material a una pieza de metal no férrico que a una de metal férrico. Se clasifican en dos grandes grupos: metales no férricos puros y aleaciones de metales no férricos. Metales no férricos puros Cuando los metales no férricos se utilizan sin mezclarlos con otros elementos les llamamos metales no férricos puros. Se clasifican, en función de su densidad, en tres grupos: metales pesados, ligeros y ultraligeros. En este cuadro puedes ver los más significativos, aunque hay otros como el cromo, el níquel, el wolframio, el cobalto o el litio que también tienen aplicaciones tecnológicas interesantes. Metales no férricos puros pesados Metales no férricos puros ligeros Metales no férricos puros ultraligeros (Densidad mayor de 5 kg/dm 3 ) (Densidad entre 2 y 5 kg/dm 3 ) (Densidad menor de 2 kg/dm 3 ) Plomo Cobre Cinc Estaño Aluminio Titanio Magnesio Los metales no férricos puros son, en general, blandos y tienen una resistencia mecánica baja. En la mayoría de aplicaciones no se utilizan de forma pura, sino mezclados con otros elementos para formar aleaciones. Aleaciones de metales no férricos Una aleación es una mezcla sólida homogénea compuesta de dos o más elementos, uno de los cuales, al menos, debe ser un metal. En las aleaciones de metales no férricos los metales usados son siempre diferentes al hierro. Las aleaciones se hacen con el fin de mejorar las propiedades del metal mayoritario con el fin de obtener un material más adecuado para una aplicación concreta. Los ejemplos más clásicos de aleaciones de metales no férricos son el bronce y el latón (más adelante veremos sus características). El bronce se obtiene mezclando cobre y estaño y el latón mezclando cobre y cinc. El bronce y el latón se conocen desde hace miles de años, en la Prehistoria. La metalurgia de los metales no férricos ha evolucionado mucho desde entonces, actualmente se utilizan cientos de aleaciones diferentes con componentes, propiedades y aplicaciones muy variadas. 3.2. El plomo - Maleable (se puede deformar hasta convertirse en delgadas láminas). - Muy blando (se raya con suma facilidad). - Muy pesado (11,4 g/cm 3 ). - Tóxico (difícil de eliminar del cuerpo humano). - Absorbe rayos X y las radiaciones nucleares, que son perjudiciales para los seres vivos. - Antiguamente se empleaba en las tuberías de agua de las casas, pero debido a su toxicidad dejó de utilizarse. - Baterías de automóviles. - Planchas sobre las que nos apoyamos al hacernos una radiografía (para absorber los rayos X, y que estos no reboten) y chalecos para radiólogos. - Blindajes de los reactores nucleares. Evitan que las radiaciones salgan al exterior. 3.3. El cobre - Color rojizo brillante. - Dúctil (se puede deformar hasta convertirse en un hilo) y maleable (se puede deformar hasta convertirse en delgadas láminas). - Buen conductor eléctrico y térmico. - Es blando, es fácil de rayar. - Resiste la oxidación y corrosión. - Cables eléctricos en viviendas. - Bobinas de motores eléctricos. - Tubos de la calefacción. - Objetos decorativos. 4
3.4. El cinc - Color blanco azulado. - Blando (fácil de rayar). - Resistente a la oxidación y a la corrosión. Recubrir piezas de acero para evitar su corrosión. Se utiliza en farolas, canalones de agua, chapas para tejados, tornillos, etc. Es lo que se conoce como acero galvanizado o acero cincado. Se puede hacer mediante dos procedimientos: introduciendo las piezas de acero en un baño de cinc fundido o mediante electrólisis (aplicando electricidad en una solución con sales de cinc). 3.5. El latón El latón es una aleación de cobre y cinc. El porcentaje de cobre es del 60 % al 95 %, el resto es cinc. - Amarillo brillante (parecido al oro). - Buena resistencia a la corrosión. - Muy dúctil. - Fácil de mecanizar. - Artículos de ferretería (bisagras, tornillos,...) - Ornamentación y bisutería. - Válvulas de gas y agua. - Instrumentos musicales de viento. 3.6. El estaño - Aspecto blanco brillante. - Se funde (se vuelve líquido) a una temperatura muy baja: 232 ºC. - Muy maleable (se puede convertir en láminas). - Buen conductor eléctrico y térmico. - Muy blando (se raya con la uña). - Resiste la oxidación y la corrosión. - Aleado con plomo se usa para soldar componentes electrónicos o tuberías. - Fabricación de hojalata. La hojalata, como la que se utiliza en las latas de conserva, es una chapa de acero recubierta por una fina capa de estaño, que protege al acero de la oxidación. 3.7. El bronce El bronce es una aleación de cobre y estaño. El porcentaje de cobre es del 80 % al 97 %, el resto es estaño. - Su color va del amarillo oscuro al marrón. - Mucho más duro que el cobre (más duro cuanto más estaño contenga). - Resistente a la corrosión. - Hélices para barcos. - Campanas. - Mecanismos (ejemplo: engranajes) - Elementos de ornamentación. 3.8. El aluminio - Color plateado claro. - Ligero (2,7 g/cm 3 ). - Es dúctil y maleable. - Fácil de mecanizar (dar forma a la pieza de aluminio mediante la eliminación de material). - Buen conductor del calor y la electricidad. - Es blando. - Muy resistente a la oxidación y la corrosión. Se utiliza casi siempre aleado con otros elementos. - Latas de refrescos, cantimploras, utensilios de cocina, envoltorios y envases para alimentos. - Carpintería metálica (puertas y ventanas). - Cables de las torres de alta tensión. - Forma aleaciones, ligeras y a la vez muy resistentes, que se usan para fabricar componentes en la industria del automóvil y en la industria aeroespacial. 5
3.9. El titanio - Ligero (4,5 g/cm 3 ). - Muy buenas propiedades mecánicas, similares o superiores a las del acero. - Muy duro (muy difícil de rayar). - Resistente a la oxidación y la corrosión. - Muy caro, lo que reduce sus usos industriales. - Es biocompatible, no es rechazado por los tejidos vivos. - Brillante. El brillo no se pierde con el tiempo. Casi siempre se utiliza aleado con otros elementos, especialmente con el aluminio. - Implantes dentales y prótesis óseas. - Hélices de barcos. - Palas de turbinas de los aviones a reacción. - Estructuras de aviones y cohetes espaciales. - Recubrimiento de algunos edificios emblemáticos, como el museo Guggenheim de Bilbao. 3.10. El magnesio - Muy ligero (1,7 g/cm 3 ). - Altamente inflamable en forma de polvo. - Muy maleable y poco dúctil. - Alto precio. - Los atletas y escaladores lo usan para secar el sudor de las manos y mejorar el agarre de los objetos. - Pirotecnia (fuegos artificiales y explosivos). - Su principal aplicación son las aleaciones con aluminio, que se usan para fabricar componentes ligeros en la industria del automóvil y en la industria aeroespacial. También en cuerpos de cámaras y ordenadores de alto precio. 4. Metales en el taller Técnicas de trabajo con metales en el taller En las miniunidades anteriores estudiamos los tipos de metales más importantes, pero para que los metales sean útiles hay que darles forma. En esta miniunidad veremos algunas de las técnicas que se utilizan en el taller para trabajar el metal. En la siguiente estudiaremos las técnicas industriales. 4.1. Corte Los productos de metal que encontramos en el mercado (perfiles, chapas, etc.) se presentan con unas dimensiones estandarizadas, por lo que normalmente hay que cortarlos. En este caso son útiles las tijeras para chapa o la sierra para metal. Las tijeras para chapa tienen hojas muy fuertes y un mango muy largo. El mango actúa como una palanca que permite ejercer mucha fuerza en la zona de corte. Se utilizan para cortar láminas de metal de poco grosor. La sierra para metal tiene unos dientes muy finos, pensados para que arranquen pequeños fragmentos de metal en cada movimiento de vaivén. Para sujetar la pieza se utiliza un tornillo de banco. Además de sierras manuales, los pequeños talleres y las industrias disponen de sierras mecánicas para metal. Hay muchos tipos, podemos destacar las circulares, las de cinta y las sierras alternativas. 4.2. Limado A menudo el metal cortado tiene que ser rebajado, para que se ajuste a una forma, o pulido, para proporcionarle un acabado liso (especialmente si tiene rebabas cortantes que pueden ser peligrosas). Para conseguirlo se utilizan las limas, unas herramientas que someten a abrasión (desgaste) el material. Las limas tienen la superficie estriada que les permiten arrancar pequeñas partículas de material en cada pasada, las limaduras. Se clasifican en finas o gruesas, según el tamaño del estriado. Las limas gruesas se utilizan para rebajar el metal, mientras que las finas se utilizan para pulir. Otra de las características de las limas es la forma de su sección, siendo las más comunes: plana, redonda, de media caña y triangular. 4.3. Taladrado El taladrado consiste en hacer perforaciones cilíndricas en un material utilizando una herramienta llamada taladro. El accesorio que, al girar, realiza la perforación se llama broca. Existen diferentes tipos de brocas en función de la dureza del material a perforar. Las más habituales son las brocas para metal, para madera y para pared. No se debe taladrar metal con brocas para madera o para pared. Se dice que el taladro es una máquina-herramienta, ya que está impulsado por un motor eléctrico que hace girar la broca. Existen diferentes tipos de taladros. Los taladros portátiles pueden transportarse fácilmente hasta donde sean necesarios, incluso hay modelos con baterías (de menor potencia) que no necesitan de una toma de corriente. Los 6
taladros de sobremesa o de columna se instalan fijos en un banco de trabajo. Son más potentes que los taladros portátiles y, al estar quietos, permiten trabajar con más precisión. 4.4. Unión mediante elementos roscados Hay varias maneras de unir piezas metálicas para formar objetos más complejos. Las uniones no desmontables no se pueden deshacer sin romper alguna pieza; veremos dos ejemplos, el remachado y la soldadura, más adelante. Las uniones desmontables permiten separar fácilmente las piezas cuando es necesario. La unión desmontable más común es la que utiliza tornillos y tuercas. Se hace un orificio que atraviese las dos piezas a unir y se introduce un tornillo que se fija con una tuerca. Ambos elementos tienen una rosca, el tornillo tiene una rosca exterior (rosca macho) y la tuerca una rosca interior (rosca hembra), de forma que cuando se aprietan haciéndolos girar con la llave adecuada, la unión queda firme. Para que las dos piezas queden mejor unidas, frecuentemente se utilizan arandelas. En muchas ocasiones, especialmente en máquinas complejas, la tuerca se substituye por un orificio roscado en una de las piezas. Hay diferentes tipos tornillos en función de la forma de la cabeza. El más común es el tornillo de cabeza hexagonal. Otro muy común es el tornillo Allen, cuya cabeza suele ser circular, pero tiene un orificio de forma hexagonal donde se introduce una llave que tiene esta forma, la llave Allen. 4.5. Unión mediante remaches El remachado es una técnica de unión que permite unir dos chapas metálicas, o dos piezas de poco grosor. Consiste en intercalar entre las dos chapas un cilindro de metal (un remache) y deformarlo, en frío o en caliente, para que no pueda salirse y mantenga unidas las chapas. Es una unión no desmontable. Antes de la invención de la soldadura eléctrica esta técnica fue muy utilizada en la industria pesada, especialmente en la construcción de barcos y estructuras de edificios y puentes. Actualmente el remachado se utiliza para trabajar con chapa fina, especialmente en la construcción de aviones (industria aeronáutica) y en la fabricación de todo tipo de cajas metálicas o construcciones en chapa. Remachado tubular El tipo de remachado que más se utiliza actualmente es el remachado tubular o remachado pop, que emplea remaches huecos, normalmente de aluminio o aleaciones. Tiene la ventaja de que, además de usarse en chapas metálicas, también se puede usar en placas de plástico y otros materiales poco resistentes. Para poner remaches tubulares se utiliza una herramienta manual llamada remachadora. Proceso necesario para unir dos chapas con un remache tubular mediante una remachadora manual: 1. Se hace un orificio en las dos chapas que se quieren unir. 2. Se introduce el remache y después la remachadora. 3. Se acciona la remachadora hasta que se corta el vástago. El resultado es que el remache se deforma y une las dos planchas. En la industria se utilizan remachadoras neumáticas. Son máquinas-herramienta que aumentan la productividad del trabajo. La fuerza necesaria para deformar el remache es ejercida mediante aire a presión. 4.6. Unión mediante soldadura eléctrica Otro ejemplo de unión no desmontable es la soldadura eléctrica, que permite unir piezas de acero mediante la fusión de una varilla metálica (electrodo) entre las piezas que se quieren unir. El calor necesario para fundir el electrodo lo produce la corriente eléctrica que circula entre éste y las piezas a soldar. Al estar ligeramente separados, el paso de la electricidad se produce en forma de arco voltaico, es decir, como una descarga eléctrica muy luminosa. La luz de esta descarga eléctrica puede ser perjudicial para los ojos, por lo que es necesario protegerse con una careta. Es un tipo de unión rápida, económica y muy resistente, por lo que tiene muchas aplicaciones: construcción de estructuras metálicas, canalizaciones, calderas, puertas de garajes, etc. El equipo de soldadura 1. Transformador: Aumenta la intensidad y reduce la tensión de la corriente que llega de la red. 2. Electrodo: Varilla metálica con revestimiento protector. Durante la soldadura, el revestimiento se evapora y el gas que aparece desplaza el aire de alrededor, creando una atmósfera protectora que facilita la unión. 3. Porta-electrodos: Sujeta el electrodo y lo conecta al cable de conducción de corriente. 4. Pinza de masa: Sujeta el cable de masa a la pieza a soldar. 5. Cable de masa: Conecta el transformador con la pinza de masa. 6. Cable de electrodo: Conecta el transformador con el porta-electrodos. 7. Elementos de protección: máscara, guantes y delantal. Protegen la salud del soldador. 4.7. Torneado El torneado es una operación de mecanizado* que se realiza en una máquina llamada torno. Consiste en hacer girar la pieza que se quiere mecanizar e ir arrancándole pequeñas partículas con una herramienta de corte hasta darle la forma deseada. * El mecanizado es el conjunto de operaciones con el metal que implican arranque de limaduras. Ejemplos El torneado se realiza sobre diversos metales (latón, aluminio, acero, etc.) y también en materiales no metálicos, como la madera o el plástico. Mediante torneado de metales se fabrican ejes, componentes de máquinas, piezas de decoración, tiradores de puertas, etc. En general, cualquier pieza de forma cilíndrica. 7
Operaciones básicas Seleccionando el movimiento y el tipo de herramienta adecuado, un torno permite mecanizar piezas con formas cilíndricas, cónicas y esféricas. También se pueden hacer operaciones de roscado (creación de roscas), taladrado (orificios), mandrinado (mecanizado interior de un taladro para conseguir medidas muy precisas) y refrentado (mecanizado del extremo de la pieza para conseguir que quede a 90º respecto del eje de simetría). En función de la dureza del material, del tipo de herramienta y de la operación que se va a ejecutar, se regula la velocidad del giro de la pieza y del movimiento de la herramienta. Existen tornos manuales, accionados por una persona, y tornos automatizados controlados por ordenador, son los llamados tornos de control numérico o tornos CNC. 5. Metales en la industria Técnicas industriales de fabricación con metales En la miniunidad anterior estudiamos las técnicas manuales de trabajo con el metal en el taller, en esta miniunidad estudiaremos algunas de las técnicas más empleadas en la industria, en el proceso para fabricar grandes series de objetos de metal. 5.1. Fundición La fundición consiste en calentar el metal hasta la temperatura de fusión, en el caso del acero, por ejemplo, unos 1375 ºC. Una vez en estado líquido, el metal se vierte en un molde que tiene la forma del objeto que queremos obtener. Cuando el metal se enfría, se abre el molde y se extrae el objeto. Los objetos obtenidos por fundición suelen tener un acabado tosco, por lo que posteriormente se deben someter a operaciones de acabado: torneado, corte de rebabas, pulido, etc. Existen muchos tipos de moldes, uno de los más usados es el molde de arena. Los moldes de arena se hacen compactando arena alrededor del objeto del que queremos obtener el molde. Al extraer el objeto queda la forma en la arena. Mediante fundición se obtienen todo tipo de piezas industriales y de decoración. 5.2. Forja Cuando el acero se calienta entre 800 y 1000 ºC se vuelve un material fácilmente deformable y, como la arcilla, puede modelarse sometiéndolo a presión o dándole golpes. A esta técnica de conformación (de dar forma) se le llama forja. Tradicionalmente la forja era un método manual. El herrero calentaba el acero hasta ponerlo al rojo vivo y a continuación lo iba golpeando con un martillo hasta conseguir la forma deseada. De esta manera se obtenían herramientas, enrejados, bisagras, clavos, herraduras para caballos, etc. Hoy la forja manual solo se utiliza para elaborar piezas artesanales, en cambio la forja con ayuda de máquinas es una técnica muy empleada en la industria. En la industria la forja se realiza normalmente mediante prensas hidráulicas, unas máquinas diseñadas para ejercer una gran presión sobre un material. Por este procedimiento se construyen ejes de gran diámetro, ganchos para grúas, bielas de motores, herramientas (llaves fijas, llaves inglesas, alicates...), ruedas de tren, ejes de máquinas, etc. Cuando la pieza de metal se forja entre dos semimoldes (en lugar de entre dos superficies planas) también se le llama estampación en caliente. 5.3. Laminación La laminación consiste en hacer pasar el metal entre dos rodillos. La presión ejercida por los cilindros reduce la sección del metal y aumenta su longitud. Cuando se encadenan varios pares de rodillos se forma un tren de laminación. Mediante laminación se pueden obtener planchas más delgadas o chapas muy finas a partir de planchas de metal gruesas. Además de formas planas, usando rodillos diferentes se pueden obtener productos como raíles para trenes, tubos o perfiles estructurales. 5.4. Inyección de metal Consiste en introducir a presión metal fundido dentro de un molde. El metal líquido se introduce en una máquina inyectora y a continuación un émbolo lo empuja hacia el interior del molde. Al someterlo a presión, se obliga al metal a introducirse en todos los recovecos del molde. Es una técnica muy útil para fabricar piezas que tengan una forma compleja. Se utiliza con metales de bajo punto de fusión, básicamente el aluminio y sus aleaciones. Ejemplos Mediante inyección de metal se fabrican piezas industriales de todo tipo: radiadores de aluminio, pomos de puertas, tiradores de cajones, lámparas, carcasas de máquinas, cuerpos de cámaras fotográficas, llantas de automóvil, herrajes, sartenes, válvulas, poleas, etc. En general, cualquier pieza que tenga una forma compleja. 5.5. Extrusión de metal La fabricación por extrusión de metal consiste en hacer pasar metal fundido a través de una boquilla de salida llamada matriz. El metal fundido, presionado por un émbolo, es obligado a pasar a través de la matriz, que le da su forma. A medida que el metal sale se enfría mediante aire o agua, después se corta a la longitud deseada. La máquina empleada, una prensa de extrusión, se alimenta con lingotes cilíndricos llamados "tochos". Estos lingotes se calientan hasta una temperatura cercana a la de fusión del metal para que, en el momento de ser comprimidos, el material fluya fácilmente por la matriz. 8
Esta técnica se usa principalmente con aluminio y sus aleaciones, debido a su bajo punto de fusión, aunque también se aplica en cobre, plomo y aleaciones de estos metales. Ejemplos Mediante extrusión de metal se fabrican perfiles para hacer puertas y ventanas de aluminio, tubos sin soldadura, pasamanos, lámparas, etc. En general, piezas de forma alargada, de sección constante y que puedan ser fabricadas con metales o aleaciones de bajo punto de fusión. 5.6. Troquelado El troquelado se usa para recortar piezas de una lámina de material delgado, normalmente metal, plástico, cartón o cuero. El corte se hace de golpe, presionando fuertemente el material a cortar entre dos herramientas, el punzón y la matriz, que tienen la forma que se desea obtener. Se utiliza una máquina llamada troqueladora, que no es más que una prensa especializada. La forma del punzón y la matriz determinará la de la pieza obtenida, que puede ser sencilla o de gran complejidad. 5.7. Plegado de chapa metálica Hay muchos objetos metálicos alrededor nuestro que se han creado plegando una chapa metálica plana. Algunos ejemplos: armarios metálicos, estanterías, puertas y paredes de ascensores, canalones para el agua de lluvia, cajas de herramientas, carcasas de ordenadores, buzones, etc. Para fabricar los objetos mencionados se utiliza una máquina llamada plegadora o prensa de plegado. Los pequeños talleres de planchistería disponen de plegadoras manuales. Las industrias que fabrican grandes tiradas de productos iguales utilizan plegadoras controladas por ordenador. A menudo estas plegadoras se acompañan de un robot que introduce y extrae las chapas a plegar, es lo que se le llama célula de plegado. 5.8. Estampación de chapa metálica La estampación es un proceso de conformación en frío que consiste en dar forma a una chapa metálica presionándola entre dos moldes, un molde inferior y un molde superior. Los moldes utilizados en la estampación reciben el nombre de matrices o estampas. Se usa frecuentemente con chapas de acero y aluminio. Para ejercer presión se utilizan prensas hidráulicas. Mediante la estampación se fabrican multitud de piezas metálicas grandes y pequeñas, la aplicación más conocida es la fabricación de paneles de vehículos (puertas, techos, capó, laterales, etc.). 5.9. Embutición de chapa metálica La embutición es una de las técnicas más utilizadas en la industria para fabricar piezas huecas o cóncavas. Es un proceso de conformación en frío que consiste en presionar una chapa metálica con un molde, que recibe el nombre de punzón de embutir. La presión obliga a la chapa a estirarse y deformarse hasta coger la forma del molde. Es necesario diseñar muy bien la forma de éste para evitar que la chapa se agriete o haga pliegues. Se usa especialmente con chapas de acero y aluminio. Para ejercer presión se utilizan prensas hidráulicas o mecánicas. Ejemplos Mediante la embutición se fabrican todo tipo de piezas metálicas huecas o cóncavas, tanto para la industria como para fines domésticos. Algunos ejemplos: ollas, sartenes, cazos, cucharones, vasos y platos de metal, tapas de recipientes, fregaderos de acero inoxidable, el cárter de los motores de los automóviles (el recipiente que contiene el aceite del motor), depósitos variados, lámparas, etc. 9