Aplicaciones con metales y aleaciones
Los metales utilizados como materiales deben cumplir determinados requisitos en función del uso al que se destinen.
Sólo si propiedades como durezaresistencia, dilatación térmica conductividad térmica o el comportamiento frente a la oxidación y la corrosión se corresponden con las condiciones de uso, se puede garantizar la máxima durabilidad y una larga vida útil.
Como esto limita mucho la utilidad de los metales puros, a menudo se alean con otros metales, semimetales o no metales.
Estos metales mezclados, también conocidos como aleaciones, se caracterizan por unas propiedades materiales mejoradas y, por tanto, amplían enormemente la gama de aplicaciones.
Tecnología de medición física como análisis térmico diferencialmicroscopía de calentamientocalorimetría diferencial o la termogravimetría permiten analizar el comportamiento metalúrgico del hierro, la fundición, el acero y otros metales y aleaciones en relación con las cuestiones siguientes o similares:
- ¿Cómo conduce un metal el calor y/o la electricidad?
- ¿Cómo afectan determinadas temperaturas a un metal o una aleación desde el punto de vista mecánico o químico?
- ¿Cómo cambia el calor específico al aumentar la temperatura?
- ¿A qué temperatura se produce la oxidación de la superficie metálica?
- ¿Cuándo una aleación metálica está en equilibrio de fases?
Transiciones de fase el punto de cristalizaciónEl punto de cristalización, el cambio de estados de agregación y la estabilidad térmica de los materiales de partida para chapas, sustratos y otros productos metalúrgicos también pueden investigarse mediante métodos de medición física.
Lo mismo ocurre con las capacidades caloríficas específicas, los coeficientes de dilatación lineal y el punto de fusión.
LINSEIS produce y vende sistemas de medición termoanalítica que pueden utilizarse en muchos otros sectores, incluida la metalurgia.
Los campos de aplicación más importantes son la investigación, el desarrollo de productos y las pruebas de calidad.
Materiales clave en la tecnología y la industria
Las aleaciones son materiales metálicos que desempeñan un papel fundamental en la tecnología y la industria modernas. Se crean combinando al menos dos elementos, uno de los cuales es siempre un metal. Combinando metales y no metales, se pueden crear materiales a medida con propiedades específicas que son indispensables para muchas aplicaciones. Además de los metales, los no metales también desempeñan un papel decisivo en la optimización de las aleaciones.
Composición y producción de aleaciones
Las aleaciones se crean fundiendo los componentes a altas temperaturas. Los componentes se mezclan en forma líquida y luego se enfrían, creando un entramado metálico común.
La velocidad de enfriamiento puede influir decisivamente en las propiedades del producto acabado. Además de los metales, también pueden utilizarse como elementos de aleación no metales o semimetales como el carbono, el boro o el silicio, que pueden influir significativamente en las propiedades de la aleación.
Propiedades de las aleaciones
Las aleaciones suelen tener propiedades más ventajosas que sus metales de origen. Las ventajas más importantes que pueden conseguirse mediante la formación de aleaciones incluyen
- Mayor dureza
- Mayor resistencia
- Mayor elasticidad
- Mayor resistencia a la corrosión
Estas propiedades mejoradas hacen de las aleaciones un componente indispensable de numerosas aplicaciones técnicas, sobre todo en la industria del automóvil, la construcción y la electrónica.
Tipos de aleaciones
Las aleaciones se dividen en homogéneas y heterogéneas:
- Aleaciones homogéneas: Aquí, todos los átomos están distribuidos uniformemente en la red. Algunos ejemplos son las aleaciones de cobre-oro o cobre-plata. Los componentes individuales ya no pueden distinguirse entre sí, ni siquiera microscópicamente.
- Aleaciones heterogéneas: Los componentes están distribuidos de forma desigual, no se forma una red atómica común. Esto da lugar a la presencia de fases microscópicas o incluso macroscópicas. Un ejemplo de ello es la aleación estaño-plomo.
Aleaciones importantes y sus aplicaciones
Alloy | Main components | Use |
|---|---|---|
| Bronze | Copper, tin | Art objects, tools |
| Brass | Copper, zinc | Electronic components, costume jewelry |
| Steel | Iron, carbon | Machines, cars, rails |
Influencia de la temperatura en las aleaciones
Las temperaturas influyen considerablemente en las propiedades de las aleaciones. El aumento de la temperatura provoca cambios en la estructura cristalina y en las propiedades mecánicas:
- Estructura cristalina y fases: A determinadas temperaturas, se producen transformaciones de fase que influyen en el comportamiento mecánico de la aleación. Estas transformaciones pueden cambiar la distribución y el tamaño de los precipitados y las fases dentro de la aleación.
- Propiedades mecánicas: La resistencia y la dureza disminuyen al aumentar la temperatura, mientras que la ductilidad y la maleabilidad aumentan. A temperaturas muy altas puede producirse fluencia, una deformación plástica lenta bajo carga constante.
- Difusión y movilidad atómica: Las temperaturas más altas aumentan la movilidad atómica, lo que favorece los procesos de difusión y reduce las tensiones en el material. Esto puede provocar un engrosamiento de la microestructura, que influye en las propiedades mecánicas de una aleación. Del mismo modo, la difusión de tipos extraños de átomos, por ejemplo en contacto físico con otro componente, puede dar lugar a una aleación mixta cuando se expone a la temperatura, lo que suele provocar cambios imprevistos en las propiedades.
Temperatura y comportamiento de fusión de las aleaciones
El punto de fusión de las aleaciones suele ser inferior al de los metales puros. Este descenso del punto de fusión se produce debido a las distorsiones de la red y al aumento de la entropía en la fase líquida.
La entropía se refiere al grado de desorden de un sistema. En la fase líquida de una aleación, hay más formas en que los distintos tipos de átomos pueden disponerse, lo que aumenta la entropía.
Este aumento del desorden estabiliza la fase líquida y reduce el punto de fusión de la aleación. El punto de fusión exacto depende de varios factores:
- La composición: La proporción de elementos de aleación influye en el punto de fusión. Por ejemplo, el punto de fusión del acero varía entre 1425°C y 1540°C en función del contenido de carbono.
- Elementos de aleación: Diversos aditivos influyen en el punto de fusión. El cromo lo eleva, mientras que el níquel lo reduce.
- Impurezas: Las impurezas pueden reducir el punto de fusión de una aleación, ya que alteran la estructura reticular.
Además, los cambios de temperatura influyen en el comportamiento de fusión de las aleaciones mediante transformaciones de fase o la aparición de superplasticidad, lo que aumenta considerablemente la conformabilidad a altas temperaturas.
El papel de los no metales en las aleaciones
A pesar de su menor proporción en las aleaciones, los no metales son indispensables, ya que contribuyen decisivamente a mejorar las propiedades de los materiales:
- El carbono: Componente esencial de las aleaciones de acero que influye significativamente en la dureza y la resistencia. Las propiedades mecánicas del acero difieren significativamente en función del contenido de carbono.
- Silicio: A menudo se utiliza como aditivo en aleaciones de aluminio para mejorar la colabilidad. La aleación de aluminio y silicio (silumin) se utiliza en la industria del automóvil para piezas de fundición.
- El boro: Incluso en pequeñas cantidades, el boro tiene un efecto importante en las propiedades mecánicas de las aleaciones, al aumentar su dureza.
No metales de uso común en la industria del automóvil
Los no metales desempeñan un papel cada vez más importante en la industria del automóvil, sobre todo en las áreas de construcción ligera, tecnología de baterías y electrónica. Los no metales más utilizados en la industria son:
- Carbono: en forma de fibras de carbono, se utiliza cada vez más en componentes ligeros para reducir el peso de los vehículos y aumentar su eficiencia. El carbono también está contenido en las aleaciones de acero, que se utilizan para la carrocería y las piezas estructurales.
- El silicio: El silicio se utiliza en aleaciones de aluminio, sobre todo para piezas de fundición en la ingeniería del automóvil. También es un componente clave de la electrónica de los vehículos, ya que se utiliza en semiconductores y microchips.
- El azufre: El azufre se utiliza en los compuestos de caucho que se emplean en la fabricación de neumáticos para automóviles.
- Platino y paladio: Estos no metales se utilizan en los catalizadores para reducir las emisiones nocivas. Son cruciales para cumplir las normas medioambientales y desempeñan un papel importante en la tecnología de las pilas de combustible de los vehículos de hidrógeno.
- Boro: El boro se utiliza como elemento de aleación para endurecer el acero y se emplea en componentes de alta resistencia.
Aplicaciones técnicas de los no metales en la industria del automóvil
En los siguientes componentes, en particular, predominan los no metales:
- Catalizadores: Los no metales, como el platino y el paladio, son componentes esenciales de los catalizadores que reducen las emisiones nocivas. Estos materiales ayudan a cumplir las estrictas normativas medioambientales y desempeñan un papel importante en la mejora de la calidad del aire.
- Pilas de combustible: Los vehículos de pila de combustible de hidrógeno suelen tener membranas complejas y electrodos de platino o carbono, por ejemplo. Estas tecnologías son cada vez más importantes a medida que se desarrollan tecnologías de propulsión alternativas.
- Electrónica y sensores: Los semiconductores no metálicos, como el silicio, son indispensables para la electrónica y los sensores de los vehículos modernos, cada vez más automatizados.
- Tecnología de las baterías: Los no metales, como el grafito, desempeñan un papel clave en el desarrollo de las modernas tecnologías de baterías para vehículos eléctricos. Estos materiales mejoran significativamente el rendimiento y la vida útil de las baterías.
- Protección contra la corrosión: Los recubrimientos y aditivos no metálicos protegen los componentes metálicos contra la corrosión y prolongan así su vida útil, especialmente en condiciones ambientales agresivas.
- Materiales compuestos: En la industria del automóvil, a menudo se combinan materiales metálicos y no metálicos para producir materiales compuestos que combinan alta resistencia con bajo peso.
Nuevos desarrollos en aleaciones y no metales
El desarrollo de la tecnología también va acompañado de innovaciones en el campo de las aleaciones y los no metales. Un ejemplo de ello son las aleaciones ligeras de alta resistencia, como las aleaciones de titanio-aluminio o magnesio, que se utilizan en la ingeniería aeroespacial y automovilística por su gran resistencia y ligereza.
Los metales amorfos, también conocidos como vidrios metálicos, son otra innovación. Estas novedosas aleaciones tienen una disposición atómica irregular y se caracterizan por una resistencia y conformabilidad excepcionales. Ofrecen aplicaciones potenciales en alta tecnología y tecnología médica.
Las aleaciones ecológicas también están ganando importancia. Se trata de aleaciones respetuosas con el medio ambiente fabricadas con materias primas sostenibles o producidas mediante procesos más eficientes energéticamente para minimizar el impacto medioambiental.
Reciclaje y sostenibilidad
La reciclabilidad de las aleaciones y los no metales desempeña un papel cada vez más importante, sobre todo en industrias como la automovilística y la aeroespacial.
Cada vez se presta más atención al concepto de economía circular para reutilizar materiales como el aluminio y el acero y reducir el impacto medioambiental.
Además, se está prestando mayor atención al uso de fuentes de materias primas sostenibles para garantizar que metales críticos como el litio o el platino procedan de fuentes libres de conflictos y respetuosas con el medio ambiente.
Fabricación aditiva (impresión 3D) en metalurgia
Un avance significativo en el procesamiento de aleaciones es la fabricación aditiva, también conocida como impresión 3D. Esta tecnología permite producir estructuras complejas directamente a partir de polvos de aleaciones, lo que se utiliza cada vez más en las industrias automovilística y aeroespacial. Utilizando la pulvimetalurgia, se pueden producir aleaciones con propiedades específicas de forma selectiva. Otro potencial innovador es el desarrollo de aleaciones personalizadas que se adapten a los requisitos de aplicaciones específicas.
Previsiones futuras
El uso de aleaciones y no metales seguirá creciendo en importancia en las próximas décadas. La importancia de estos materiales aumentará, sobre todo en ámbitos como la electromovilidad y la economía del hidrógeno.
Las aleaciones ligeras y las tecnologías avanzadas de baterías desempeñan un papel clave en el desarrollo de los vehículos eléctricos.
Además, la demanda de platino en la tecnología de pilas de combustible aumentará a medida que el hidrógeno gane importancia como fuente de energía alternativa.
Conclusión
Las aleaciones y los no metales son componentes esenciales de la tecnología y la industria modernas. Ofrecen soluciones a medida para una amplia gama de aplicaciones, sobre todo en la industria del automóvil, donde contribuyen a aumentar la eficacia y a cumplir las normas medioambientales.
Controlar la temperatura y la composición es crucial para conseguir las propiedades deseadas de estos materiales y optimizar aún más sus aplicaciones potenciales. Además, la investigación y la innovación en curso aumentarán aún más el uso de aleaciones y no metales en nuevos ámbitos, sobre todo en relación con la sostenibilidad y las nuevas tecnologías de fabricación, como la impresión 3D.
