Otras aleaciones de metales no ferrosos
Aunque la ciencia de los materiales se refiere con mayor frecuencia a los aceros y las aleaciones de aluminio y cobre, muchas aplicaciones técnicas clave se basan en aleaciones de metales no ferrosos más especializadas. Estas aleaciones permiten diseñar juntas de fricción con desgaste controlado, crear juntas soldadas herméticas y duraderas, construir elementos de seguridad que funcionan por fusión y lograr una alta resistencia a la corrosión o una relación resistencia‑peso excepcionalmente favorable.
Este estudio analiza seis grupos de materiales: aleaciones para cojinetes, aleaciones para soldadura, aleaciones de bajo punto de fusión, zinc y sus aleaciones, titanio y sus aleaciones y aleaciones de metales preciosos. La tabla muestra cómo la elección de la composición y la microestructura conlleva requisitos operativos específicos: desde la lubricación y el «rodaje» hasta la resistencia química y la retención de propiedades a temperaturas elevadas.
Este artículo se basa en el libro de texto Metaloznawstwo del profesor Stanisław Rudnik. El siguiente contenido es solo una descripción general del tema. Para aquellos interesados en el tema, recomendamos encarecidamente profundizar en la bibliografía.
Aleaciones para cojinetes
Las aleaciones para cojinetes se utilizan para fabricar casquillos de cojinetes en cojinetes deslizantes en los que la superficie del casquillo interactúa directamente con el muñón del eje. Por lo tanto, el material del casquillo debe garantizar un bajo coeficiente de fricción, reducir el desgaste de ambas superficies de roce y, al mismo tiempo, soportar altas presiones unitarias. Es muy importante que el casquillo sea menos duro que el muñón, de modo que cualquier daño se produzca en el elemento que es más fácil de sustituir y no en el eje. La resistencia a las rozaduras también es importante: la carcasa del cojinete debe ser lo suficientemente plástica como para adaptarse a las microirregularidades del muñón pero, al mismo tiempo, no debe ser demasiado blanda para que no se adhiera a la superficie del muñón a la temperatura de funcionamiento.
En la práctica, estos requisitos se complementan con propiedades tecnológicas y operativas: la aleación debe ser fácilmente fundible (para facilitar la fundición de las copas), pero su punto de fusión no debe ser demasiado bajo para que la copa no se ablande cuando se caliente durante el funcionamiento. Otros factores importantes son la buena adhesión de la aleación al material del casquillo del cojinete, la conductividad térmica adecuada (disipación del calor por fricción), la resistencia a la corrosión y el menor coste posible.
Las mejores propiedades se obtienen con una aleación cuya estructura presenta inclusiones duras de tamaño y cantidad adecuados distribuidas uniformemente en una matriz relativamente blanda y dúctil. La matriz blanda facilita la adaptación a la forma del muñón sin abrasión intensa, mientras que los componentes duros reducen la tendencia de la matriz a adherirse y favorecen la formación de huecos capilares en los que puede permanecer una fina capa de aceite lubricante. De este modo, el nodo de fricción funciona de forma más estable y las condiciones de lubricación son más fáciles de «mantener», incluso durante sobrecargas temporales.
El material más barato para cojinetes es, a menudo, el hierro fundido perlítico gris. Puede soportar altas presiones unitarias, pero debido a su abrasión relativamente alta, no es adecuado para motores de alta velocidad. La presencia de grafito tiene un efecto beneficioso: el grafito triturado mezclado con grasa forma una fina capa en la superficie que reduce la abrasión. Sin embargo, en aplicaciones que requieren mejores parámetros, se utilizan con mayor frecuencia aleaciones blandas y fácilmente fundibles a base de estaño o plomo.
El mejor grupo de aleaciones para cojinetes es el de las aleaciones de estaño‑antimonio‑cobre, conocidas como Babbitt. El cobre y el antimonio aumentan la resistencia de estas aleaciones con una ligera reducción de la plasticidad, por lo que es fundamental equilibrarlos. Para el contenido de cobre comúnmente encontrado del 3‑6 %, la mayor resistencia se alcanza con alrededor del 9‑10 % de Sb, y las composiciones que no superan el 10‑12 % de Sb y el 6‑7 % de Cu se consideran particularmente favorables. Este grupo incluye, entre otros, SnSb8Cu3 y SnSb11Cu6. La matriz es una solución de antimonio y cobre en estaño, blanda y dúctil, aunque más dura que el estaño puro. Y, sobre este fondo, hay cristales cúbicos del compuesto SnSb y cristales Cu6Sn5 en forma de estrellas y agujas. Las fases duras actúan como «portadoras» de carga y estabilizan las condiciones de fricción, pero los Babbits son caros, por lo que se utilizan principalmente en cojinetes que funcionan con cargas y velocidades elevadas.
Una alternativa más económica son las aleaciones de estaño‑plomo‑antimonio, en las que parte del estaño se sustituye por plomo. La matriz blanda de estas aleaciones es un eutéctico triple con un alto contenido en plomo, y la estructura sigue conteniendo cristales cúbicos de SnSb. En la práctica, a menudo se añade cobre para reducir la segregación resultante de las diferencias en la densidad de los componentes; el cobre forma entonces compuestos duros de Cu2Sb en forma de agujas. Un ejemplo es la aleación PbSn16Sb16Cu2, que es más barata que el Babbitt, pero que suele funcionar en condiciones menos exigentes (menores cargas y velocidades).
El tercer grupo está formado por aleaciones de plomo con metales alcalinos como el calcio, el bario o el estroncio. Estos elementos forman compuestos duros con plomo (por ejemplo, Pb3Ca o Pb3Ba) distribuidos en una matriz blanda de plomo casi puro. A veces, también se añade una pequeña cantidad de sodio para aumentar la dureza. La ventaja es su bajo coste y su buena calidad, lo que favorece su amplio uso, especialmente en ferrocarriles. Las limitaciones incluyen la baja resistencia a la corrosión atmosférica y la combustión de los elementos de aleación durante la refundición. En los cojinetes que funcionan en condiciones especialmente duras (altas presiones y velocidades), también se utilizan bronces de estaño o bronces de plomo.
Aleaciones de soldadura
La soldadura es el proceso de unir metales utilizando un metal adicional, la soldadura, que se funde, fluye y rellena el hueco de la unión. El punto de fusión de la soldadura debe ser inferior al punto de fusión de los metales que se unen para no provocar su fusión. Una buena soldadura debe humedecer bien las superficies soldadas, disolverse en cierta medida en los metales que se unen y presentar una buena fluidez en estado líquido. Además, su rango de solidificación no debe ser demasiado amplio, ya que esto dificulta que se obtenga una unión homogénea y hermética.
Debido a su punto de fusión, existen soldaduras blandas (hasta 450 °C) y soldaduras duras (por encima de 450 °C). Las soldaduras blandas tienen baja dureza y baja resistencia a la tracción (aproximadamente 50‑70 MPa), pero son dúctiles, por lo que proporcionan una buena estanqueidad, aunque no suelen estar diseñadas para soportar cargas pesadas. Las más comunes son las soldaduras de estaño‑plomo, en las que un punto de referencia importante es la composición eutéctica del 61,9 % de Sn y un punto de fusión de 183 °C.
La soldadura de estaño plomo está cubierta por la norma PN‑76/M‑69400, y las soldaduras individuales están marcadas con las letras LC y un número correspondiente al porcentaje de contenido medio de estaño. Las variantes con adición de antimonio tienen la letra «A» al final de la designación, por ejemplo, la LC30A contiene aproximadamente un 30 % de Sn, un 68 % de Pb y un 2 % de Sb. La soldadura LC60 (60 % de Sn y 40 % de Pb) tiene una composición cercana a la eutéctica, por lo que es la más fácil de fundir y tiene un rango de solidificación muy estrecho, de alrededor de 7 °C. A medida que aumenta el contenido de plomo, aumenta el rango de solidificación; en un aglutinante con un 20 % de Sn y un 80 % de Pb, puede superar los 100 °C, lo que favorece la formación de poros y perjudica la estanqueidad y la resistencia de la unión. A temperatura ambiente, la dureza y la resistencia de las aleaciones de Sn‑Pb aumentan con el contenido de estaño, y los valores más altos se obtienen normalmente con aleaciones con un 50‑80 % de Sn. Por otro lado, las aleaciones con un contenido muy bajo de estaño (5‑10 %) son menos escasas, pero tienen propiedades más deficientes.
Las soldaduras duras funcionan a temperaturas de fusión mucho más altas (desde unos 400 °C hasta 2000 °C) y se utilizan cuando se requiere una alta resistencia de la unión. La resistencia de las uniones realizadas con soldaduras duras puede ser de entre 200 y 700 MPa. En la práctica, hay tres grupos principales: soldaduras a base de cobre, soldaduras a base de plata y soldaduras especiales. El cobre tiene buenas propiedades de soldadura y se utiliza para unir acero, hierro fundido y aleaciones de cobre, pero su alto punto de fusión requiere soldar a temperaturas de 1100‑1200 °C, lo que aumenta el consumo de energía y puede perjudicar las propiedades de los componentes soldados debido a los cambios estructurales que se producen durante el calentamiento. Por esta razón, además del cobre puro, se utilizan ampliamente sus aleaciones. Las aleaciones de plata (cubiertas, entre otras, por la norma PN‑80/M-69411) son importantes en ingeniería eléctrica, entre otros campos. Así mismo, las más significativas son las aleaciones de Ag‑Cu‑Zn con buenas propiedades mecánicas y resistencia a la corrosión, que permiten unir acero, aleaciones de cobre, metales preciosos y carburos sinterizados. Entre las soldaduras especiales se incluyen, entre otras, las soldaduras a base de oro y platino (por ejemplo, joyería, odontología, etc.), las soldaduras a base de aluminio (unión de aleaciones ligeras) y las soldaduras a base de magnesio (unión de aleaciones de magnesio).
Aleaciones de bajo punto de fusión
Las aleaciones de bajo punto de fusión (fácilmente fundibles) son aleaciones con un punto de fusión inferior al del estaño, es decir, por debajo de 232 °C. Están compuestas por metales con un punto de fusión bajo, principalmente plomo, estaño y bismuto, así como, en menor cantidad, cadmio, antimonio, zinc, indio y otros aditivos. La composición se selecciona de manera que se formen eutécticos con el punto de fusión más bajo posible, lo que permite «ajustar» con precisión el punto de fusión del elemento fusible.
Un buen ejemplo del efecto de la multicomponencia es el sistema Sn‑Pb‑Cd‑Bi‑In, en el que la aleación eutéctica puede tener un punto de fusión de alrededor de 47 °C. En la práctica, las aleaciones de bajo punto de fusión utilizadas en nuestro país se enumeran en la norma PN‑71/H‑87203. Entre las aleaciones enumeradas en esta norma, uno de los puntos de fusión más bajos (aproximadamente 70 °C) es el de la aleación BiPb25Sn12Cd12, conocida como aleación de Wood, con una composición del 25 % de Pb, 12 % de Sn, 12 % de Cd y 51 % de Bi.
Las aplicaciones son consecuencia directa de su función: las aleaciones de bajo punto de fusión se utilizan para fusibles e insertos de seguridad, componentes de sistemas de alarma y contra incendios, en fundición de precisión, así como en la industria de equipos médicos y ortopédicos, en los que las bajas temperaturas de proceso suelen ser cruciales para la seguridad y la precisión.
El zinc y sus aleaciones
El zinc es un metal de color blanco azulado con una gravedad específica de aproximadamente 70 kN/m³. Tiene un punto de fusión bajo (419,4 °C) y un punto de ebullición bajo (907 °C). Su resistencia a la tracción es moderada (Rm aprox. 150 MPa) con una alta elongación (A10 aprox. 50 %), pero a temperatura ambiente, el zinc es frágil. Solo cuando se calienta por encima de 100‑150 °C se vuelve maleable y se puede laminar en láminas finas y estirar en alambre.
El zinc es resistente a las atmósferas secas pero, en presencia de vapor de agua y dióxido de carbono, se cubre con una capa blanca de carbonato de zinc alcalino que actúa como capa protectora y limita la corrosión. El zinc se disuelve en ácidos y álcalis diluidos. El uso industrial más importante del zinc es la protección del acero: los recubrimientos de zinc (galvanización) son beneficiosos porque, incluso con fugas locales, el zinc actúa como un ánodo protector. Dado que tiene un potencial electroquímico inferior al del hierro, el zinc se disuelve y el acero queda así protegido de la corrosión.
El zinc también se utiliza como material para productos semiacabados (por ejemplo, en la construcción) y es un componente importante de muchas otras aleaciones metálicas. Existen algunas aleaciones en las que el zinc es el componente principal, y las más importantes son las aleaciones de zinc con aluminio, cobre y magnesio, conocidas como zamak. Se dividen en aleaciones de fundición y aleaciones forjadas. Además del zinc, suelen contener hasta un 30 % de Al, hasta un 6 % de Cu y pequeñas cantidades de Mg; las diferencias entre las variedades se deben a su uso previsto y a la tecnología de fabricación.
Las aleaciones forjadas alcanzan una mayor resistencia (aproximadamente 280‑320 MPa) con una mejor plasticidad (A5 aproximadamente 5 %). Las aleaciones de fundición tienen una resistencia de 150‑300 MPa, pero una plasticidad muy baja (A5 aproximadamente 1 %), lo que es típico de las fundiciones, especialmente las fundiciones a presión. A pesar de su limitada plasticidad, las aleaciones de zinc fundido se utilizan ampliamente en la industria de la maquinaria (carrocerías, bastidores, cubiertas, etc.), la industria automovilística (carburadores, palancas, manillas de puertas, etc.) y la industria de la ingeniería eléctrica (carcasas de dispositivos). Las aleaciones que se pueden trabajar plásticamente pueden sustituir a las aleaciones de cobre más caras cuando la economía y la simplicidad tecnológica son importantes.
El titanio y sus aleaciones
El titanio es uno de los elementos más abundantes en la corteza terrestre, pero su producción industrial a gran escala solo se ha desarrollado desde 1948. Es un metal de color blanco plateado, similar al acero inoxidable, con un peso específico bajo de aproximadamente 44,1 kN/m³, que es casi la mitad del del hierro. Por eso, su relación resistencia‑densidad es especialmente ventajosa, lo que se traduce en aplicaciones en las que cada kilogramo cuenta.
El titanio se presenta en dos formas alotrópicas: Tiα (estable a bajas temperaturas y red hexagonal compacta) y Tiβ (estable a temperaturas más altas y red regular centrada espacialmente). La temperatura de transición alotrópica es de 882 °C. Este material se caracteriza por tener una resistencia a la corrosión muy alta, comparable a la de los aceros austeníticos de cromo‑níquel. A temperaturas de hasta unos 500 °C, el titanio prácticamente no se ve afectado por el aire; solo a temperaturas más altas, en su superficie, se forma una fina capa de óxidos y nitruros bien adherida que protege al metal de los efectos del oxígeno y el nitrógeno, siempre que la temperatura no supere los 560 °C, aproximadamente. Por encima de este rango, la actividad química del titanio aumenta significativamente.
Las propiedades mecánicas del titanio dependen, en gran medida, de su pureza. El titanio muy puro es extremadamente dúctil y tiene parámetros similares a los del hierro puro: Rm aprox. 250‑300 MPa, R0,2 aprox. 100‑150 MPa, A10 aprox. 50 % y Z aprox. 70 %. Los aditivos aumentan la resistencia a expensas de la plasticidad, por lo que, en la práctica de la ingeniería, la pureza y la clase de aleación se seleccionan en función de los requisitos. Debido a su resistencia a la corrosión y a su alta resistencia al peso, el titanio y sus aleaciones se utilizan en vehículos, aviones, construcción naval y equipos químicos, aunque su elevado precio sigue siendo una barrera.
En las aleaciones de titanio basadas en ambas variedades alotrópicas, existen soluciones sólidas de α y β. Dado que la fase β es estable a altas temperaturas y la fase α a bajas temperaturas, es posible realizar un tratamiento térmico basado en transformaciones de fase. El mecanismo de la transformación β→α depende de la temperatura: a temperaturas más altas es difusivo y da lugar a una estructura granular, mientras que, con un enfriamiento significativo, debido a la baja movilidad de los átomos, puede producirse una transformación martensítica no difusiva, lo que da lugar a una estructura en forma de aguja (martensítica) a menudo denominada α’.
Las aleaciones de titanio utilizadas en la práctica se dividen en aleaciones monofásicas α, monofásicas β y bifásicas α+β. Las aleaciones α incluyen, entre otras, las aleaciones de titanio con aluminio, que es el único aditivo que estabiliza la fase α. El aluminio aumenta la resistencia y, debido a su baja densidad, tiene un efecto positivo en el peso específico de la aleación. Las aleaciones β son relativamente menos comunes, mientras que las más importantes son las aleaciones bifásicas α+β, que contienen aditivos que estabilizan la fase β, como vanadio, molibdeno, estaño, hierro, cromo o magnesio. Suelen ser más resistentes que las aleaciones monofásicas, se trabajan fácilmente con plásticos y son susceptibles al tratamiento térmico; el Rm típico es de alrededor de 900‑1200 MPa, y en el rango de temperatura de hasta 500 °C, su resistencia por unidad de densidad es, a veces, más favorable que la del acero.
Aunque la transformación martensítica sugiere la posibilidad de que se produzca un endurecimiento clásico, en la práctica no se utiliza habitualmente porque el efecto sobre las propiedades mecánicas es, a veces, insignificante. En el caso de las aleaciones bifásicas α+β, el tratamiento térmico suele consistir en supersaturación y envejecimiento: la supersaturación consiste en calentar a una temperatura en la que la fase β sea estable, seguido de un enfriamiento rápido para mantener esta estructura. Durante el envejecimiento, la fase β se descompone parcialmente en una mezcla α+β, lo que permite moldear la resistencia y la plasticidad.
Aleaciones de metales preciosos
Los metales preciosos incluyen el oro, la plata y el platino, así como sus aleaciones. Se distinguen por su altísima resistencia a la corrosión en condiciones atmosféricas, en el agua y en numerosos entornos químicos. Al mismo tiempo, estos metales tienen una resistencia relativamente baja con muy buenas propiedades plásticas, por lo que en aplicaciones expuestas a la abrasión y la deformación (por ejemplo, joyería, elementos dentales, etc.), se utilizan con mayor frecuencia en forma de aleaciones que como metales técnicamente puros.
Los datos mecánicos de los metales puros muestran esta especificidad: el oro tiene un Rm de aproximadamente 130 MPa, un límite elástico de aproximadamente 50 MPa y una dureza de aproximadamente 20 HB con una reducción de aproximadamente el 95 % y un alargamiento de aproximadamente el 55 %. La plata tiene un Rm de aproximadamente 160 MPa y una dureza de aproximadamente 25 HB, con una plasticidad muy alta (Z aproximadamente 95 %, A10 aproximadamente 60 %). El platino alcanza un Rm de aproximadamente 150 MPa y una dureza de aproximadamente 50 HB, también con una alta plasticidad (Z aproximadamente 90 %, A10 aproximadamente 50 %).
El oro es resistente a la mayoría de los ácidos y bases, por lo que se utiliza, entre otras cosas, para el dorado químico y galvánico, en equipos de laboratorio y en aleaciones utilizadas en electrónica. La plata es especialmente resistente a las bases fuertes, pero es poco soluble en ácidos orgánicos. Además, gracias a su muy buena conductividad eléctrica, se utiliza en cables y componentes eléctricos, así como para el plateado. El platino es muy resistente químicamente, aunque se disuelve en agua regia caliente; en la industria química se utiliza tanto por su resistencia a la corrosión y sus propiedades catalíticas, como para la fabricación de equipos de laboratorio (mallas, crisoles, evaporadores…).
El oro y la plata se utilizan principalmente en joyería y odontología como aleaciones, ya que en estado puro son demasiado blandos. El cobre y la plata son aditivos clave en las aleaciones de oro. Fundir oro con plata no aumenta significativamente su dureza, mientras que la adición de cobre la aumenta de forma más notable, aunque a costa de una cierta disminución de la resistencia a la corrosión. Por esta razón, se suelen utilizar aleaciones triples de Au‑Ag‑Cu, que equilibran el color, la dureza y la resistencia química. En Polonia, la ley de oro establecida legalmente corresponde a un contenido de Au del 96 %, 75 % y 58,3 %. Históricamente, esto correspondía a 23, 18 y 14 quilates, respectivamente (el oro puro es de 24 quilates). Las aleaciones de tercera ley tienen la mayor dureza y resistencia a la abrasión, pero también tienen un color claramente rojizo debido al alto contenido de cobre.
Los principales componentes de las aleaciones de plata son el cobre y el zinc, y las finuras de plata establecidas legalmente son del 94 %, 87,5 % y 80 % de Ag. La finura más alta no se suele utilizar debido a su dureza insuficiente, mientras que la segunda y la tercera finura se utilizan en productos artísticos, vajillas y accesorios. Desde un punto de vista técnico, también es importante utilizar aleaciones de plata como soldaduras duras, en las que combinan buenas propiedades mecánicas y resistencia a la corrosión con humectabilidad. El platino y sus aleaciones se utilizan principalmente en la industria: las aleaciones de Pt‑Ir con una dureza de aproximadamente 265 HB al 40 % de iridio (utilizadas en ingeniería eléctrica, electroquímica, medicina y joyería) son de gran importancia, mientras que las aleaciones de platino con rodio se utilizan como catalizadores y en forma de alambres para la fabricación de termopares.
Otras aleaciones de metales no ferrosos: resumen
Los grupos de aleaciones analizados muestran que, en ingeniería, a menudo no se trata de la resistencia «máxima» de un material, sino de un conjunto de propiedades seleccionadas con precisión. Las aleaciones para cojinetes están diseñadas para ofrecer propiedades de fricción, lubricación y rodaje, por lo que la estructura de las inclusiones duras en una matriz blanda es crucial. Las aleaciones de soldadura se seleccionan para controlar la humectación y la solidificación de la unión: las soldaduras blandas garantizan la estanqueidad, mientras que las soldaduras duras permiten construir de uniones de alta resistencia.
Las aleaciones de bajo punto de fusión utilizan su bajo punto de fusión como característica funcional en componentes de seguridad y tecnología de precisión. El zinc y sus aleaciones combinan el papel de material estructural con la función extremadamente importante de proteger el acero contra la corrosión y la posibilidad de producir piezas moldeadas a presión de forma económica. El titanio y sus aleaciones ofrecen una alta resistencia a la corrosión y una excelente relación resistencia‑peso, especialmente, en las variedades α+β tratadas térmicamente. Por otro lado, los metales preciosos y sus aleaciones son insustituibles cuando la resistencia química, la conductividad o la dureza controlada, a la vez que se mantiene una alta plasticidad, son decisivos.
A continuación, se ofrece una visión general transversal de los metales no ferrosos y sus aleaciones: propiedades y aplicaciones (material en inglés).
