Propiedades y Procesos de Fabricación de Materiales Industriales: Metales, Cerámicas, Plásticos y Compuestos

Propiedades y Procesos de Fabricación de Materiales Industriales

1. Aleaciones Metálicas

1.1. Aleaciones de Aluminio

Ventajas:

• Reducida densidad.
• Abundancia en la naturaleza.
• Facilidad de conformado (baja temperatura de fusión y buena ductilidad).

Desventajas:

• Corrosión bajo tensión.
• Reducida temperatura de uso.
• Reducida rigidez.

Estrategia de mejora de la rigidez/dureza: endurecimiento por precipitación (ej.: añadiendo Cu).

1.2. Aleaciones de Titanio

Ventajas:

• Reducida densidad.
• Resistencia a la corrosión.
• Buena relación resistencia/densidad (elevada resistencia específica).
• Elevada temperatura de uso.
• Biocompatibilidad.

Desventajas:

• Tratamientos termomecánicos.
• Reducida resistencia al desgaste/fricción.
• Suministro y elevado coste.

Principales tipos de aleaciones de titanio:

• Tipo α (HCP): elevada rigidez, resistencia y resistencia a la fluencia; limitada ductilidad. Posibilidad de endurecimiento vía refinamiento de grano y precipitación.
• Tipo β (BCC): menores rigidez y resistencia; facilidad de conformado debido a más elevada ductilidad; elevada tenacidad; tratable térmicamente (incremento de rigidez/resistencia/dureza); posibilidad de endurecimiento por precipitación.
• Tipo α/β: propiedades intermedias entre las de tipo α y las de tipo β. Tratable térmicamente debido a la presencia de una fracción de titanio β. Principal aleación de titanio a nivel industrial: Ti-6Al-4V.

1.3. Aleaciones de Magnesio

(Estructura HCP: material poco deformable/poco dúctil).

Ventajas:

• Reducida densidad.
• Facilidad de conformado (baja temperatura de fusión).
• Alta conductividad térmica.

Desventajas:

• Corrosión.
• Reducidas propiedades mecánicas.
• Coste.

Estrategia de mejora de la rigidez/dureza: endurecimiento por solución sólida (típicamente añadiendo Al).

1.4. Aleaciones de Cobre

• Latones (aleaciones Cu-Zn): buena resistencia a la corrosión; facilidad de conformado por colada.
• Bronces (aleaciones Cu-Sn, típicamente 10% Sn): buena resistencia a la corrosión; elevada dureza. En función del tipo y proporción de aleante: mejor resistencia química (Si); superior ductilidad (Pb); superior dureza – herramientas de corte (Sb).

1.5. Aleaciones de Metales Refractarios

Mo, W (elevada temperatura de fusión y, por ende, elevada temperatura de uso).

1.6. Aleaciones de Metales Nobles

Ag, Au, Pt (elevada resistencia a la oxidación, elevada ductilidad y elevada conductividad eléctrica).

1.7. Aleaciones de Níquel

Ventajas:

• Rigidez y resistencia mecánica parecidas a las del hierro.
• Gran resistencia a la corrosión.
• Resistente a temperaturas elevadas (superaleaciones), superando en algunos casos la de los aceros.

Desventajas: elevada densidad.

Principales tipos:

• Monel (con Cu y Fe).
• Superaleaciones de base níquel (Hastelloy – con Mo y otros aleantes): caracterizadas por su combinación de elevada resistencia a la fluencia, buena relación resistencia/ductilidad y buena resistencia a la corrosión.

1.8. Hierro

• Hay mucha existencia de hierro.
• No hay (Fe) puro, sino combinaciones con otros elementos FeO, Fe₂O₃, por lo que hay que purificarlos y reducirlo a Fe.
• El hierro es muy versátil en cuanto a las formas o cuerpos que podemos hacer con él.
• Equilibrado balance de propiedades (torsión, rigidez, resistencia, etc.).

2. Conformado de Materiales Metálicos

2.1. Fundición (Moldeo)

Pasos:

1. Construcción del molde.
2. Fundir el material.
3. Colado en el molde.
4. Solidificación.
5. Extracción de la pieza.

Tipos de moldes:

• Molde no permanente (el molde se destruye para sacar la pieza):

  1. Modelo permanente (arena): molde de un solo uso, no conductor, llenado por gravedad, velocidad de enfriamiento lenta. Ventajas: gran volumen, formas complejas, grano grueso. Inconvenientes: porosidad, acabado pobre, microestructura no orientada.

  2. Modelo no permanente (cera perdida): colado de aleaciones con punto de fusión elevado, coste de mecanizado, libertad de diseño. Ventajas: aplicable a gran número de aleaciones, formas complejas. Inconvenientes: acabado pobre, porosidad. Para piezas metálicas de poco volumen.

  3. Moldeo por inyección: materiales de punto de fusión bajo, buen acabado, alta velocidad. Ventajas: adaptar procesos masivos. Inconvenientes: limitación de temperatura a 1600°C. Para geometrías complejas y altas prestaciones mecánicas.

• Conformado por deformación plástica:

  1. Entrada: partimos de materiales semielaborados.
  2. Procesado: deformación plástica masiva.
  3. Salida: material para producto final o para otro proceso.

  • Trabajo en frío: Ventajas: economía de energía, resistencia a la deformación, buen acabado superficial. Inconvenientes: fuerza y potencia para la deformación, endurecimiento limita la deformación.

  • Trabajo en tibio: Ventajas: fuerza y potencia, buen acabado superficial, resistencia a la deformación, no recocidos. Inconvenientes: más caro, geometrías limitadas.

  • Trabajo en caliente: Ventajas: propiedades isótropas, no endurecimiento por deformación, formas más complejas. Inconvenientes: peor acabado.

  Aplicaciones por deformación plástica:

  • Forja (llaves inglesas, cigüeñales).
  • Laminación (frío/caliente) (láminas, chapas).
  • Trefilado (cables, tubos).
  • Extrusión (perfiles metálicos continuos: tubos, ventanas).

• Unión:

  • Pulvimetalurgia: compactación de polvos metálicos inicialmente a baja temperatura y, en una segunda etapa, a más alta temperatura y presión para garantizar una buena densificación. Se usa sobre todo para metales de reducida ductilidad.

3. Conformado de Cerámicas

3.1. Cerámicas Tradicionales

• Conformado hidroplástico por extrusión: proceso de conformado continuo que consiste en aplicar presión sobre un material cerámico de consistencia plástica forzándolo a pasar a través de una matriz para darle la forma deseada. Ejemplos: ladrillos, azulejos, tuberías (son continuos y luego se cortan).

• Conformado por compresión (tejas, jarrones).

• Moldeo por barbotina:

  1. Mezcla de arcilla y agua = barbotina.
  2. Colado en molde hueco o relleno.
  3. Enfriado.
  4. Extracción del molde.

  Ejemplos: jarras, jarrones.

• Cementos: mezcla de arcilla y agua, fraguado exotérmico, para formas complejas e in situ.

3.2. Cerámicas Avanzadas

• Obtención de polvos cerámicos (molienda fina) / Pulvimetalurgia: proceso de conformado que consiste, en esencia, en compactar polvos cerámicos por aplicación de una combinación de presión y calor. Consta de las siguientes etapas básicas:

  1. Obtención del polvo (fragmentación por procesos mecánicos de la materia prima a un polvo con el tamaño deseado para su posterior compactación).
  2. Preparación del polvo (mezclado – polvos de diferente tamaño; combinación – polvos de diferente composición; aditivos de proceso: lubricantes, aglutinantes, desfloculantes).
  3. Obtención del “cuerpo o pieza en verde”: pre-compactación de los polvos en el interior de un molde (al finalizar esta etapa: unión física débil entre los polvos).
  4. Sinterizado: compactación de la “pieza en verde” aplicando presión y calor (difusión en estado sólido).

• Moldeo por inyección:

  1. Mezclado.
  2. Moldeo por inyección.
  3. Eliminación del ligante.
  4. Sinterización.

  100% reciclable (molde y material). No apto para piezas grandes, sino para mucha cantidad de piezas. Caros. Alta densidad. Baja porosidad. Geometría compleja y alta precisión.

3.3. Vidrios

• Conformado por soplado automático:

  1. Entra el material en el molde.
  2. Aplicamos aire a presión.
  3. El material se pega a las paredes del molde.
  4. Se extrae.

  Para botellas, frascos, ampollas, vasos.

• Conformado por flotación en estaño:

  1. Mezcla del material.
  2. Fundición.
  3. Se vierte en estaño líquido.
  4. Se desplaza a partir de rodillos.
  5. Se corta.

  Para ventanas, láminas, lunas, vidrios planos.

4. Conformado de Plásticos

4.1. Extrusión-soplado

Es un proceso que consiste en alimentar una boquilla conformadora con un material homogéneo aplicando presión y calor. Se alimenta la extrusora con la mezcla, la matriz sale por la boquilla, la presión depende de la geometría de la boquilla, la velocidad del proceso y las propiedades del material. Se puede usar para botellas (extrusión-soplado de botellas), pero sobre todo para secciones constantes.

4.2. Moldeo por Compresión

Introducir en un molde bajo presión un material plástico en estado fundido/reblandecido. En el molde se le da forma, se enfría y se extrae la pieza. Salida a un molde. Sirve para botellas también (moldeo-inyección de botellas), no tanto.

4.3. Moldeo por Inyección-soplado

Proceso semi-continuo de conformado que consiste en plastificar un material plástico, inyectándolo por movimiento axial del husillo de inyección en el interior de un molde cerrado con la forma final de la pieza, el cual será además el encargado de enfriarla. Ejemplos de procesos derivados del moldeo por inyección: inyección-soplado de botellas, coinyección.

Diferencias entre extrusión e inyección:

• La extrusión es un proceso continuo, mientras que la inyección es un proceso semi-continuo.
• Comparativamente, el proceso de extrusión permite la fabricación de productos continuos de geometría sencilla, mientras que el de inyección permite fabricar piezas más complejas.
• Típicamente, en el proceso de extrusión la forma final del producto viene dada por la forma de la boquilla conformadora, mientras que en el de inyección la forma final del producto viene dada por la figura del molde (encargado además de enfriar el producto).
• Debido a las particularidades del proceso, en la extrusión se suelen emplear plásticos más viscosos, mientras que en la inyección se usan plásticos más fluidos y, típicamente, temperaturas de procesado más elevadas.

4.3.1. Inyección Multimaterial

Se aplican 2 materiales distintos, con propiedades distintas, en un molde en momentos diferentes.

4.4. Termoconformado

1. Se calienta el material hasta que reblandezca sin fluir.
2. Se da forma en un molde a partir de presión.

Para bandejas, vasos, etc.

4.5. Moldeo Rotacional

Para piezas grandes y huecas:

1. Introducimos la mezcla.
2. Giramos el molde biaxialmente mientras aplicamos calor.
3. Seguimos girando, pero ahora aplicando frío.
4. Extraemos.

Para productos huecos de gran volumen: depósitos o bidones.

Aplicaciones:

1. Recubrimiento de cable, papel film.
2. Botellas de plástico, jeringuillas.
3. Carcasas de móvil.
4. Tuppers, hueveras.
5. Depósitos y tanques.

5. Conformado de Materiales Compuestos

Un material compuesto es un material que está formado por 2 o más materiales distintos sin que se produzca una reacción química entre ellos.

• Matriz (fase continua). Función: transmisión de esfuerzos, fija y protege al refuerzo.
• Refuerzo (fase dispersa). Función: mejorar las propiedades de la matriz.

La elección del tipo de matriz depende de su compatibilidad con el refuerzo y de que sea capaz de soportar las temperaturas de servicio del material.

Clasificación:

• MMC (metal): alta tensión elástica, resistencia a tracción y a fluencia.
• CMC (cerámica): alta tenacidad.
• PMC (polímero): alta rigidez específica (E), tensión elástica, resistencia a tracción y a fluencia.

Factores que determinan las propiedades de un material compuesto:

1. Las propiedades de la matriz.
2. Las propiedades del refuerzo (geometría, distribución espacial y orientación).
3. Fracción en volumen del refuerzo.
4. Propiedades de la interfase refuerzo-matriz (superficie de contacto entre matriz y refuerzo).
5. Las posibles degradaciones a causa de elementos como la temperatura, imperfecciones, fatiga, impactos, etc.

5.1. Conformado por Molde Abierto

• Moldeo por contacto (hand lay-up): moldes baratos, fibras de carbono y vidrio <45% cantidad de fibras, piezas grandes. Barcas, barcos.

• Moldeo por inyección simultánea (spray lay-up): refuerzo (fibras), proceso rápido y barato, matriz de baja viscosidad, baja resistencia mecánica. Bañeras, depósitos.

5.2. Moldeo por Enrollamiento Filamentario

Superficies cerradas sin grandes cambios, reducida producción.

5.3. Pultrusión

Perfiles de sección constante, alto contenido en fibras.

5.4. Materiales Compuestos Estructurales

Laminados (láminas reforzadas con fibras): madera contrachapado, esquís.

5.5. Materiales Compuestos para Construcción

• Hormigón: composición de grava, arena y cemento.
• Hormigón armado: matriz de hormigón, refuerzo de varillas, aumento de resistencia.