Aleaciones férreas y no férreas

1. Introducción.

El componente principal de las aleaciones férreas es el hierro. Son las aleaciones de mayor utilización en la fabricación mecánica por su gran variedad de propiedades físicas y mecánicas. Se clasifican en aceros y fundiciones. Los aceros pueden ser de baja o alta aleación. Los aceros de baja aleación se clasifican en función de su porcentaje de carbono en bajo, medio y alto. Las fundiciones son aleaciones férreas con porcentajes de carbono de entre 1,76% y 6,67%. Las más empleadas industrialmente son la gris, la dúctil, la blanca y la maleable.
El principal inconveniente de las aleaciones férreas es su susceptibilidad a la corrosión. Sin embargo su consumo es indispensable en la mayoría de las aplicaciones industriales.
La Norma UNE clasifica a los aceros en cinco grupos diferentes: F-100, F-200, F-300, F-400 y F-500, en función de su composición y aplicaciones.

2. Aceros.

Los aceros son aleaciones hierro-carbono (Fe3C) que pueden contener ciertos elementos de aleación para mejorar algunas propiedades físicas, químicas o mecánicas.
Se clasifican en función del porcentaje de carbono y en función de sus elementos aleantes en aleaciones de baja, media y alta concentración. La adición de otros elementos genera subclases de aceros con propiedades distintas.
Los aceros al carbono se clasifican en tres tipos en función del porcentaje de carbono y en función de sus elementos aleantes:
- Aceros bajos en carbono. Contienen menos del 0,3% C y pequeñas cantidades de fósforo, azufre y silicio. No admiten tratamientos térmicos para obtener martensita pero pueden endurecerse por acritud. Su microestructura está formada por ferrita y perlita. Pueden tratarse en frío o en caliente.
Son blandos y poco resistentes mecánicamente pero su ductilidad y tenacidad los hacen aptos en la fabricación de latas, tuberías, puentes, etc. Su bajo precio, maquinabilidad y la capacidad de admitir soldadura los hacen muy aptos en fabricación mecánica. El límite elástico 275 MPa, resistencia a la tracción 400-560 MPa y ductilidad del 25%. La resistencia aumenta con el contenido de carbono mientras que la ductilidad disminuye.
Los aceros bajos en carbono se clasifican en aceros extrasuaves (0,1 a 0,2% C) y aceros suaves (0,2 a 0,3% C).
Para incrementar la resistencia mecánica de los aceros bajos en carbono se les adiciona cobre, vanadio, níquel y molibdeno en concentración global de un 10% en peso. La adición de estos elementos aleantes conforma la denominada aleación de alta resistencia y baja aleación (HSLA). Sus mejores propiedades mecánicas, buena maquinabilidad y su mayor resistencia a la corrosión los hacen aptos en la construcción de recipientes a presión, puentes y estructuras metálicas.
- Aceros medios en carbono. Contienen porcentajes de carbono de entre 0,3 y 0,8% C. Por su mayor contenido en carbono admiten tratamiento térmico de temple y revenido. Se requieren grandes velocidades de enfriamiento y sólo pueden ser templadas piezas con pequeños espesores.
Se clasifican en aceros semisuaves (0,3 a 0,4% C), aceros semiduros (0,4 a 0,5% C), aceros duros (0,5 a 0,6% C) y aceros extraduros, cuando contienen porcentajes de carbono mayor a 0,7% C.
La adición de cromo, molibdeno y níquel favorecen los tratamientos térmicos por desplazar las curvas hacia la derecha. Tienen mayor resistencia mecánica y al desgaste pero son menos dúctiles y tenaces que los aceros bajos en carbono.
- Aceros altos en carbono. Contienen entre un 0,8 y 1,4% C. Son más duros, resistentes pero menos dúctiles que los anteriores. Tienen dificultad en su conformación pero la elevada resistencia al desgaste y su dureza los hacen aptos en muchas aplicaciones industriales. Admiten tratamiento térmico de temple y revenido que les confiere resistencia mecánica y resistencia al desgaste. La adición de cromo, vanadio, molibdeno y tungsteno forman carburos muy duros y resistentes al desgaste. Se emplean en la fabricación de matrices y herramientas de corte.
- Aceros aleados. Se diferencian de los aceros al carbono por contener uno o más elementos de aleación en mayor proporción de lo normal. Pueden contener manganeso, silicio y aluminio en porcentajes mayores al 0,6% además de cromo, níquel, molibdeno, vanadio, cobre, volframio que se adicionan en porcentajes que pueden llegar hasta un 20%.
- Aceros inoxidables. Se caracterizan por su elevada resistencia a la corrosión por contener porcentajes de cromo mayores al 11%. La adición de otros elementos aleantes como el níquel y el molibdeno mejora su resistencia a la corrosión y modifica el diagrama de fases Fe-Fe3C obteniendo una gran gama de propiedades mecánicas.
La Norma UNE clasifica a los aceros en cinco grupos diferentes: F-100, F-200, F-300, F-400 y F-500, en función de su composición y de sus aplicaciones.




2.1. Aceros finos de construcción (F-100)

Lo conforman un grupo formado por cinco tipos de aceros F-110, F-120 y F-130, F-140, F-150 y F-170.
F-110. Aceros al carbono.
Incluyen cinco variedades (F-111, F-112, F-113, F-114 Y F-115), con porcentajes de carbono de entre 0,15 a 0,60, manganeso (0,30 y 0,70), silicio (0,15 y 0,30) y cantidades inferiores al 0,04 de fósforo y azufre.
- F-111 (Acero extrasuave). Contiene entre 0,10 Y 0,20% C. Admite soldadura y es muy dúctil. No admite tratamiento térmico de temple por su bajo contenido en carbono. La dureza puede incrementarse por trabajo en frío. Su maquinabilidad es excelente. Se utiliza en la fabricación de alambres, roblones y otros tipos de piezas con baja responsabilidad.
- F-112 (Acero duave). Contiene entre 0,20 y 0,30% de carbono. Admite soldadura y es dúctil. Tiene mayor resistencia a la tracción y límite elástico que los aceros extrasuaves, semejante dureza y menor estricción. Tampoco admite temple por su bajo contenido de carbono. Por su tenacidad y resistencia mediana se utilizan en la obtención de piezas por deformación plástica en frío (embutición y plegado).
- F-113 (Acero semisuave). Contiene entre 0,30 y 0,40% de carbono. Por su contenido de carbono admite tratamiento térmico de temple a temperaturas de entre 850 y 880° C Y enfriamiento en agua. Los aceros templados se emplean en la construcción de elementos de máquinas por su excelente tenacidad y media resistencia. El límite elástico, la resistencia mecánica son superiores a los aceros extrusuaves y suaves.
- F-114 (Acero semiduro). Contiene entre 0,40 y 0,50% de carbono. Admite temple a temperaturas comprendidas entre 820 y 860° C Y endurecimiento por deformación plástica o acritud después del trabajo en frío. También se emplea en la construcción de elementos de máquinas que requieren mayor resistencia y ductilidad que los aceros semisuaves.
- F-115 (Acero duro). Contiene entre 0,50 y 0,60% de carbono. Se emplea templado y revenido. El temple se realiza a temperaturas comprendidas entre 800 y 825°C pudiéndose enfriar en agua o aceite, en función del tamaño y la complejidad del diseño de la pieza. Se emplean en la fabricación de ejes y elementos de máquinas.


F-120 y F-130. Aceros aleados de gran resistencia.
La adición de elementos de aleación como el níquel, cromo, molibdeno y vanadio consigue facilitar el temple de las piezas de grosor considerable. Además, facilita el empleo de medios de enfriamiento poco energéticos y evita las deformaciones y las grietas en las piezas tratadas. Los resultados obtenidos son aceros de gran resistencia a la tracción, elevada dureza y pequeño alargamiento porcentual o estricción.
Se clasifican en función de los elementos de aleación adicionados en aceros al níquel (F-121), aceros al cromo-níquel (F-122, F-123 Y F-132), aceros al cromo-molibdeno (F-124 y F-125), aceros al cromo-vanadio (F-131) y aceros al cromo-níquel-molibdeno (F-126, F-127, F-128 Y F-133). También pueden c1asificarse en función de su resistencia después del temple y revenido (kg/mm2) y por su templabilidad en comparación con los aceros al carbono.

F-140. Aceros aleados para muelles o de gran elasticidad.
Son aceros que se caracterizan por tener una gran elasticidad o poder para recuperar sus dimensiones originales después del cese de la fuerza que lo deforma. Se emplean en la fabricación de muelles o resortes y se caracterizan por tener elevado límite elástico y excelente resistencia a la fatiga.
Contienen entre 0,4 y 0,85% de carbono, entre 0,5 y 1,0% de manganeso, entre 0,15 Y 2,20% de silicio, 0,0035% de fósforo y azufre y cantidades variables de cromo, molibdeno y vanadio.
Admiten temple y revenido. El temple se realiza a temperaturas de entre 820 y 880° C Y en revenido de 400 a 450° C. Las propiedades mecánicas dependen del porcentaje de carbono y de los elementos aleantes. El límite elástico oscila entre 880 MPa para el F1410 y 1180 MPa para el F1460. La resistencia mecánica entre 1180 y 1370 MPa.
F-150. Aceros para cementación.
El tratamiento termoquímico de cementación permite obtener piezas con gran dureza superficial, resistencia al desgaste y excelente tenacidad en el núcleo. La difusión del carbono en la superficie de la pieza tratada permite incrementar el porcentaje de carbono y facilitar su temple mientras que el núcleo queda inalterado con una tenacidad excelente.
Los aceros empleados en la cementación son aquellos que contienen bajos porcentajes de carbono sin llegar a sobrepasar el 0,30%, pudiendo contener elementos de aleación o no. Se clasifican en aceros bajos en carbono, aleados y no aleados.
- Aceros al carbono para cementar (sin elementos de aleación). Contienen un máximo de un 0,15% de carbono, 0,35% de silicio y un 0,80% de manganeso. Se templan a temperaturas comprendidas entre 850 y 950° C, enfriándose en agua para obtener elevados grados de dureza.
- Aceros aleados para cementación. Contienen hasta un máxlmo de 0,20% de carbono, 0,1 de manganeso, 0,35% de silicio y porcentajes variables de cromo, níquel y molibdeno. La adición de cromo incrementa la dureza y resistencia a la corrosión del acero. El níquel mejora la templabilidad. Por último, el molibdeno se adiciona para mejorar la templabilidad y la resistencia al desgaste sin incrementar la dureza.
F-170. Aceros para nitruración.
El tratamiento termoquímico de nitruración crea una capa nitrurada de hasta 0,5 mm de espesor y con durezas muy elevadas. El objeto es obtener gran dureza superficial, tenacidad en el núcleo y buena resistencia a la fatiga.
Los aceros de nitruración son aquellos que admiten el tratamiento termoquímico sin sufrir deformaciones y sin ser demasiado frágiles. Se emplean aceros con contenidos de carbono comprendidos entre 0,3 y 0,6% de carbono con elementos de aleación como el manganeso, silicio, fósforo, azufre, aluminio, cromo, níquel y vanadio.
La norma UNE designa a los aceros para nitrurar como F1700 y se distinguen cinco clases principales F1711, F17712, F1721, F1741 Y F1740.
La temperatura de temple oscila entre 880 y 940° C Y la del revenido entre 570 y 650° C. El límite elástico y la resistencia máxima y elongación dependen del porcentaje de los elementos aleantes empleados.

2.2. Aceros para usos especiales (F-200)

Lo conforman un grupo formado por cinco tipos de aceros F-210, F-220, F-230, F-240, y F-250.



F-210. Aceros de fácil mecanización.
Son aquellos que se caracterizan por tener grano grueso, estar formados por perlita laminar, tener una relación límite elástico/resistencia mecánica grande (0,95) y durezas comprendidas entre 180 y 230 dureza Brinell. Existen tres tipos de aceros de fácil mecanización y contienen azufre, fósforo y plomo.
- Aceros al azufre. Están formados por azufre (0,20-0,60%) además de manganeso (0,60 %) para que puedan formar sulfuro de manganeso que facilita la penetración de la herramienta de corte y el desprendimiento fácil de la viruta.
- Aceros al plomo. Contienen porcentajes de entre 0,15 Y 0,30% de plomo en forma de glóbulos sin estar combinado con el acero (>0,5% C). La fácil mecanización se produce por la lubricación extra que ofrece el plomo y que facilita el corte de la herramienta.
- Aceros al fósforo. Con 0,10 a 0,25% de fósforo en aceros con contenidos inferiores a 0,20% de carbono. El fósforo facilita el arranque de viruta por eliminar parte de la plasticidad de la ferrita.
El azufre, plomo y fósforo deben estar homogéneamente repartidos en la masa del acero para evitar zonas heterogéneas frágiles y dúctiles.
F-220. Aceros de fácil soldadura.
Lo conforman un grupo de aceros al carbono aleados con cromo, molibdeno y vanadio. Se caracterizan por tener bajo contenido en carbono (<3,0%) y por ser fácilmente soldables. Se distingue:
- F-211 y F-212. Aceros de fácil mecanización al azufre y al plomo, respectivamente. Contienen entre 0,20 y 0,30% de carbono y elementos aleantes como manganeso, silicio, fósforo y azufre.
- F-222, F-223 Y F-224. Son aceros al carbono (0,25-0,35%) con contenidos de cromo de entre 0,8 y 1,10%. Además contienen manganeso, silicio, fósforo, azufre y níquel. El F-222 incluye molibdeno, el F-223 vanadio y el F-224 los dos elementos.
F-240. Aceros de alta y baja dilatación.
Los aceros de baja dilatación son aquellos a los que se les adicionan gran cantidad de níquel que disminuye el coeficiente de dilatación hasta hacerlo prácticamente nulo. El níquel se adiciona en cantidad de hasta el 36% como es el caso del invar. (0,24% C y 36% Ni).


F-250. Aceros resistentes a la fluencia.
Contienen baja cantidad de carbono (0,008% C), molibdeno (0,4 a 0,6%) y cobre (0,1 a 0,3%). El molibdeno confiere al acero la resistencia a la fluencia y el cobre resistencia a la oxidación.

2.3. Aceros resistentes a la corrosión (F-300)

Lo conforman un grupo formado por tres tipos de aceros F-310, F-320 Y F-330 que se corresponden con los aceros inoxidables, aceros para válvulas de alta resistencia y aceros refractarios, respectivamente.
Aceros inoxidables.
Son aceros resistentes a la corrosión y a la oxidación por ser autoprotectores. Son capaces de formar una capa pasiva de óxido en la superficie de la pieza que evita el avance y penetración de la corrosión o oxidación en el núcleo.
El elemento de aleación más importante es el cromo y suele adicionarse en porcentajes del 12%. Se forma una capa de óxido de cromo pasiva que impide el avance de la corrosión. También se adiciona níquel que mejora el comportamiento del cromo por estabilizar la capa de óxido generada.
Los aceros inoxidables son resistentes en muchos ambientes pero sólo a temperaturas no muy elevadas. Se clasifican en función de los constituyentes presentes en: martensíticos, ferríticos y austeníticos. Todos ellos tienen el cromo como elemento aleante común en porcentajes mínimos del 12%.
- Aceros inoxidables martensíticos. Son aceros inoxidables que admiten temple y adquieren estructura martensítica en su transformación. Tienen porcentajes de carbono de entre 0,08 a 0,6%, elevado contenido de cromo (13-17%) y cantidades de níquel de hasta el 2%.
La Norma UNE los clasifica en la serie F-3400 en función de los elementos aleantes adicionados. Según el porcentaje de carbono pueden c1asificarse en cuatro grupos:
a) Aceros inoxidables con bajo contenido en carbono. Se denominan aceros inoxidables extrasuaves y contienen porcentajes de carbono inferiores al 0,08%. El contenido de cromo es de hasta el 13%. Por el porcentaje de carbono tienen resistencia mecánica parecida a los aceros no aleados (F-11 00) con alargamientos de hasta el 16%. Admiten soldadura y son resistentes a ácidos y a la oxidación en condiciones poco severas. Se emplean por su gran ductilidad en procesos de embutición.
b) Aceros inoxidables del 0,3% en carbono. Tiene las propiedades mecánicas de los aceros con 0,6% de carbono después de temple y revenido. Su excelente resistencia a la corrosión se debe al porcentaje de cromo que oscila entre el 12 y el 14%. Su principal aplicación se realiza en la fabricación de cubertería e instrumental quirúrgico.
c) Aceros inoxidables del 0,6 al 1% en carbono. Además tiene un 17% de cromo y cantidades de molibdeno de hasta el 0,5%. Después de temple y revenido tiene gran dureza y resistencia al desgaste. Se emplean en la fabricación de rodamientos y en aquellas aplicaciones donde se exige buenas propiedades anticorrosivos y excelente resistencia al desgaste.
- Aceros inoxidables ferríticos. Tienen estructura ferrítica sin importar la temperatura del tratamiento. Con contenidos de carbono de un 0,10% Y de un 27% de cromo, mayor que en los aceros austeníticos. Se clasifican en función del contenido de cromo. Uno de los más empleados en el acero inoxidable ferrítico con un 16% de cromo. Es resistente a la corrosión atmosférica. La misma variedad pero con un contenido del 25% de cromo es resistente a la oxidación a elevadas temperaturas. El incremento de la dureza se realiza por deformación en frío.
- Aceros inoxidables austeníticos. Tienen estructura austenítica a cualquier temperatura, incluso a temperatura ambiente. Contienen cromo y níquel en cantidades aproximadas del 18% de cromo y un 8% de níquel, además de molibdeno, wolframio, manganeso y silicio.
El cromo mantiene las propiedades anticorrosivas del acero mientras que el níquel estabiliza la formación de la austenita.
Aceros refractarios.
Son resistentes a la fluencia y a la corrosión. Se distinguen dos variedades de gran aplicación industrial, los aceros refractarios con cromo y níquel y los de cromo y manganeso. Los primeros (cromo y níquel) tiene estructura austenítica. El cromo y el níquel se adicionan en cantidades parecidas de entre un 16 y un 30%. Los aceros refractarios al cromo manganeso tienen las composiciones de 18% Mn y 12% Cr.
2.4. Aceros de emergencia (F-400)

Lo constituyen dos grupos de aceros: aceros de alta resistencia (F-410 Y F-420) y los aceros para cementar (F-430).
Aceros de alta resistencia. Están aleados con níquel, cromo, vanadio y molibdeno que facilita la penetración del temple y el incremento de su resistencia se debe al tratamiento de temple y revenido. Se clasifican en función de su templabilidad, del contenido de carbono o por su resistencia mecánica.
Aceros para cementar. Tienen bajo contendido de carbono (0,20-0,20% C), de entre 0,2 y 1,0% de manganeso y menos del 0,35% de silicio. Además pequeñas cantidades de cromo, níquel y molibdeno.

2.5. Aceros para herramientas (F-500)

El grupo está formado por tres tipos principales de aceros. Los aceros al carbono para herramientas (F-510), los aceros aleados para herramientas (F-520, F-530 Y F-540) Y los aceros rápidos y extrarrápidos (F-550).
F-510. Aceros al carbono para herramientas. Tienen entre 0,5 y 1,4% de carbono en función de sus aplicaciones. El incremento en el porcentaje de carbono mejora la dureza y la resistencia mecánica empeorando su tenacidad.
F-520, F-520 y F-540. Aceros aleados para herramienta. Poseen porcentajes de carbono parecido a los anteriores pero en éstos se adicionan cantidades variables de cromo, wolframio, molibdeno y vanadio. La adición de estos aleantes afina el grano y mejora la templabilidad. Se emplean el la fabricación de herramientas de corte como cuchillas, limas y brocas.
F-550. Aceros rápidos y extrarrápidos. Se distinguen los aceros rápidos (F-551 y F-552) Y los extrarrápidos (F-553 y F-554). Los primeros contienen wolframio en porcentajes de 14 al 18% respectivamente. Los aceros extrarrápidos contienen entre un 5 y un 10% de cobalto.








3. Fundiciones.

Son aleaciones férreas con porcentajes de carbono mayores al 2,5%, aunque industrialmente se emplean con contenidos comprendidos entre un 3 y un 4,5% C, con otros elementos de aleación como el manganeso, silicio, azufre y fósforo. Se clasifican en fundiciones ordinarias, especiales y aleadas. Estas últimas además pueden contener elementos como el cromo, molibdeno, cobre y níquel.
Las fundiciones funden a temperatura de entre 1150 y 1300, punto mucho más bajo que los aceros. Se emplea en la obtención de piezas por moldeo y su maquinabilidad es mejor que en los aceros.

3.1. Fundiciones ordinarias

La forman las fundiciones blancas, grises y perlíticas. Se caracterizan por contener hierro, carbono y pequeñas cantidades de elementos aleantes como el fósforo, azufre, manganeso y silicio.
Se clasifican en función del aspecto de sus superficies de fractura. Las fundiciones blancas tienen el color blanco característico debido a la existencia de cementita (Fe3C) que le confiere dureza y fragilidad. Las fundiciones grises tiene ese color porque el carbono contenido no forma carburos sino que aparece en forma de grafito.
Fundición blanca. Están constituidas por perlita y cementita con contenidos de carbono de entre 1,76 Y 6,67% C. Se clasifican en función de su porcentaje de carbono en fundiciones blancas hipoeutécticas, eutécticas y hipereutécticas.
El mayor contenido en carbono incrementa la dureza de las fundiciones blancas por la mayor presencia de cementita. Así, pueden tenerse durezas de 300 a 400 HB, frágiles, con baja tenacidad y pocas aplicaciones industriales.
Fundición gris. En este tipo de fundición el carbono no se encuentra formando carburos con el hierro (cementita) sino que aparece en forma de grafito mientras que el hierro esta como ferrita.
Tiene buen comportamiento a compresión, desgaste y son capaces de amortiguar vibraciones, por ello se emplea en la fabricación de bancadas en máquinas­herramientas. Su bajo coste junto con su colabilidad y baja contracción lo hace muy apto en la fabricación de piezas por moldeo.
Fundición perlítica. El contenido de carbono es de un 0,80%. Forma perlita laminar embebida en grafito.
Función dúctil. La adición de magnesio y/o cerio a la fundición gris produce la formación de grafito esferoidal con distintas propiedades mecánicas. La microestructura resultante es la fundición dúctil formada por esferoides de grafito embebido en una matriz ferrítica o perlítica. Es más resistente y dúctil que la gris y sus propiedades mecánicas son comparables con las del acero.

3.2. Fundiciones aleadas

Se obtienen por la adición de níquel, cobre, aluminio, molibdeno y cromo a la fundición gris para modificar el estado del grafito contenido.
En función del porcentaje de elementos de aleación se distinguen las fundiciones aleadas de baja y alta aleación. Las primeras se obtienen cuando se adicionan cantidades menores al 5% de elementos de aleación y se clasifican en función de sus aplicaciones. Las más empleadas son fundiciones aleadas de elevada resistencia (Cr, Ni, Cu y Mo) y las resistentes al desgaste (Ni y Mn). Las fundiciones de alta aleación tienen más del 5% de elementos aleantes y se caracterizan por su buen comportamiento a la corrosión y a elevadas temperaturas. Se clasifican en función del elemento de aleación en mayor porcentaje (Cr, Ni, Si).

3.3. Fundiciones especiales

Se clasifican en funciones maleables y grafito. En las primeras se distinguen las de corazón negro, blanco y perlítica maleable. En las de grafito, las de grafito esferoidal y las de grafito difuso.
Función maleable. Son tratadas térmicamente y adquieren ductilidad y maleabilidad adoptando cierta capacidad para deformarse plásticamente. Las de corazón blanco o europeas se obtienen por decarburación de una fundición blanca por calentamiento a temperaturas de entre 900 y 1100° C durante dos o tres días. La expulsión del carbono por difusión se produce desde el núcleo hacia la periferia. La fundición de corazón negro o americana se obtiene por recocido de la fundición blanca a temperaturas de entre 800 y 900° C, por la descomposición de la cementita en grafito. El enfriamiento lento hasta 650° C evita la formación de perlita y el grafito queda en forma nodular permitiendo se deformado por su excelente maleabilidad. La fundición maleable perlítica se obtiene por tratamiento térmico de la fundición de corazón negro. Su matriz perlítica le confiere mayor dureza y resistencia.
Grafito. Se distinguen dos tipos: grafito difuso y grafito esferoidal. Las primeras se obtienen de las fundiciones blancas y contienen el grafito en forma de nódulos homogéneamente repartido por su masa. La de grafito esferoidal se obtienen por la adición de magnesio que provoca la formación de grafito en forma de nódulos o esferas en lugar de estar laminado. Se obtienen mejoras en la resistencia a la tracción y en el alargamiento.
4. Aleaciones no férreas.

Las aleaciones férreas tienen propiedades mecánicas muy variadas, son fáciles y económicas en su conformación, admiten tratamientos térmicos y pueden conformarse por fundición, forja, arranque de viruta, soldadura, etc. Sin embargo, presentan inconvenientes que no lo hacen aptos para muchas aplicaciones industriales en fabricación mecánica. De entre ellas la elevada densidad, baja conductividad eléctrica y baja resistencia a la corrosión dificultan su utilización en ciertas aplicaciones.
Por ello, es útil utilizar otros metales y aleaciones no férreas como las de cobre, aluminio, magnesio o titanio. Se clasifican en aleaciones pesadas y aleaciones ligeras en función de su densidad.






4.1. Cobre y sus aleaciones

El cobre sin alear es blando, dúctil, muy buen conductor y tiene capacidad para ser trabajado en frío. Además posee excelentes propiedades anticorrosivas en ambientes industriales y agua de mar.
El cobre es dúctil y maleable. La resistencia mecánica y su capacidad anticorrosiva se mejoran con la adición de otros elementos aleantes. La dureza y la resistencia mecánica pueden llegar a duplicarse por deformación en frío.
La mayoría de las aleaciones de cobre no endurecen por tratamiento térmico sino por acritud y por formación de disoluciones sólidas. El trabajo en frío le confiere dureza y fragilidad pero al recocerlo a temperatura de entre 560 y 630° C recupera su maleabilidad.
No se degrada cuando esta inmerso en agua pura y genera una capa verde superficial de sulfato de cobre en contacto con atmósferas oxidantes. La capa retarda la oxidación de la pieza sin ser totalmente pasiva.
La mayor aplicación es en la fabricación de conductores eléctricos y térmicos por su excelente conductividad. Su resistencia a la corrosión lo hace apto en la construcción de tuberías. Por su maleabilidad y fácil conformación se utiliza en la fabricación de artesanía. Sin embargo, su mayor uso se da en el empleo como elementos de aleación para piezas a moldear o forjar. Se emplea en las aleaciones de cinc (latones), estaño (bronces) y en otros metales.
Se clasifican en dos grandes grupos: latones (cobre y cinc) y bronces (cobre y otro metal).


4.1.1. Aleaciones de cobre
El cobre se alea principalmente con cinc, estaño, aluminio, níquel y plomo que le confieren buenas propiedades mecánicas y excelente resistencia a la corrosión. Se distinguen las aleaciones para moldeo y para forja. Y también se clasifican en latones y bronces, en función del elemento de aleación principal.
Latón
Es la aleación de cobre y cinc, es la más utilizada con contenidos de cinc que actúa como soluto y principal elemento de aleación con cantidades de hasta un 50%. El cinc facilita el moldeo y la colabilidad del cobre además de incrementar su resistencia mecánica.
El porcentaje de cinc adicionado al cobre define el color, las propiedades físicas y mecánicas del latón. El latón con porcentajes de cinc inferior al 35% es dúctil y maleable pudiéndose conformar por deformación plástica en frío. La mayor adición de cinc empeora su ductilidad y dificulta su trabajo en frío. Las propiedades se modifican con el contenido de cinc.
- Color. Varía de un color rojo amarillento cuando el cinc se presenta en cantidades de hasta un 15%. La adición de mayor cantidad oscurece al latón hasta adquirir un color grisáceo cuando se tienen cantidades de hasta un 81% de cinc.
- Propiedades mecánicas. La resistencia mecánica y la dureza aumentan con el contenido de cinc. Mientras que el alargamiento, límite elástico y la resiliencia disminuyen.
- Propiedades físicas. La dilatabilidad, conductividad también disminuyen al alear con cinc.
Bronce
Es una aleación de cobre y estaño con pequeñas adiciones de aluminio, silicio y níquel. Es más resistente que el latón y tiene mayor resistencia a la corrosión. La adición de estaño provoca un efecto parecido al cinc en los latones pero más marcado.
Industrialmente se adicionan cantidades de estaño inferiores al 25%. Las propiedades mecánicas mejoran con el porcentaje de estaño añadido y se clasifican en función de su adición.
Cantidades inferiores al 6% de estaño crean bronces blandos y dúctiles que pueden trabajarse en frío. Mayor adición incrementa la dureza, la resistencia mecánica y la resistencia al desgaste. Adiciones mayores al 20% de estaño incrementan mucho la dureza y se vuelven frágiles y poco resistentes.
La adición de estaño provoca modificaciones en el color y en las propiedades fisicoquímicas del cobre:
- Color. La adición de pequeñas cantidades de estaño de hasta un 20% da un color rojo amarillento al bronce. Cuando se incrementa el contenido de estaño hasta un 90% se transforma en blanco.
- Propiedades mecánicas. La resistencia a la tracción, el límite elástico y la dureza se incrementan con la adición de estaño mientras que el alargamiento se reduce considerablemente.
- Propiedades físicas. La conductividad disminuye con el incremento de estaño mientras que la resistencia a la corrosión mejora.
Los bronces se clasifican en ordinarios y especiales. Los primeros contienen únicamente cobre y estaño mientras que los especiales además contienen aluminio, plomo, níquel, etc.
4.2. Plomo y sus aleaciones

Muy blando, maleable, poco tenaz y denso. Funde a 327,4° C y se vaporiza a 1725° C. Es buen conductor eléctrico y térmico. Se emplea en conducciones de agua y gas, por sus propiedades pasivas frente a corrosión y oxidación al aire seco y agua. Su mayor aplicación se da en soldadura (estaño-plomo, 20-60% plomo y resto de estaño) y en tas aleaciones antifricción. Sufre fluencia. No es capaz de endurecer por deformación plástica.

4.3. Estaño y sus aleaciones

Blando y maleable con baja temperatura de fusión (231° C) y menor densidad que el plomo (7,28 kg/dm3). Tiene baja resistencia a la tracción. Experimenta cambio alotrópico a los 18° C. A temperaturas mayores a 18° C el estaño es blanco y cristaliza en estructura tetragonal. A temperaturas inferiores es gris con estructura cúbica. En el cambio alotrópico se modifica su densidad pasando de 5,57 a 7,298 g/cm3 a temperaturas mayores a 18° C.
Es inoxidable en aire y ácidos orgánicos por lo que se emplean en la fabricación de latas de conserva como recubrimiento del hierro (hojalata, chapa fina de hierro recubierta de estaño).
Por su temperatura de fusión se emplea en soldadura, en los bronces como elemento de aleación y en las aleaciones antifricción.

4.4. Cinc y sus aleaciones

Maleable con dureza superior al plomo y al estaño pero inferior a la plata. Tiene una estructura cristalina hexagonal compacta (HC) y una temperatura de fusión de 419,4° C. La resistencia mecánica es baja pero puede incrementarse con el laminado.
El aire húmedo le confiere una capa de óxido pasiva que lo hace muy apto como recubrimiento del hierro (hierro galvanizado) en aplicaciones como depósitos o conducciones de agua.
La mayor aplicación del cinc es en la fabricación por laminación de láminas de recubrimiento, de depósitos, en galvanizado o recubrimiento de hierro, en aleaciones como el latón (Cu-Zn y Cu-Zn-Ni) y en la obtención del zamak (Al-Cu-Zn) para el moldeo por inyección.
4.5. Níquel y sus aleaciones

Es muy maleable por lo que admite forja, laminación y estirado tanto en frío como en caliente. Cristaliza en estructura cúbica centrada en las caras (FCC). Su temperatura de fusión es de 1453° C y tiene una resistencia a la tracción de 49,3 kg/mm2 que puede incrementarse con la laminación.
En estado puro se emplea en la fabricación de instrumental quirúrgico y en útiles de cocina. Otra gran aplicación del níquel es como recubrimiento electrolítico (niquelado) en la protección de metales como el hierro y el cobre.
Como elemento aleante se emplea en los aceros inoxidables, aceros al níquel, cupro-níquel.
4.6. Cromo y sus aleaciones

Es duro, frágil y poco maleable. Cristaliza en un sistema cúbico centrada en el cuerpo (BCC). Su temperatura de fusión es de 1875° C. Se emplea en los aceros inoxidables y en los metales duros (estilita y vidia). También se emplea como protector del hierro en forma de cromado (o protección electrolítica) y como recubrimiento de otros metales por cromado duro para mejorar las propiedades de desgaste.

4.7. Antimonio y sus aleaciones

Es un metal frágil, mal conductor y poco maleable. Cristalina en estructura hexagonal. Su densidad es de 6,6 g/cm3 y funde a 630° C. Su mayor aplicación es en la obtención de aleaciones antifricción como elemento aleante.

4.8. Manganeso y sus aleaciones

Es duro, cristaliza en estructura hexagonal compacta (HC). Su densidad es de 7,4 g/cm2 y funde a 1245° C. Se emplea en la obtención de bronces y en las aleaciones ligeras.
4.9. Cobalto y sus aleaciones

Es duro, tenaz y cristaliza en estructura hexagonal compacta (HC). Su densidad es de 8,8 g/cm2 y funde a 1495° C. Se emplea como recubrimiento en instrumentos quirúrgicos, en la obtención de aceros rápidos y en la fabricación de herramientas de corte como carburos metálicos de cobalto.

4.10. Molibdeno y sus aleaciones

Se caracteriza por su elevada temperatura de fusión, 2610° C. Es dúctil y maleable. Cuando contiene impurezas se comporta de forma frágil. Cristaliza en estructura cúbica centrada en el cuerpo (BCC).
Su aplicación más importante es en la fabricación de filamentos de lámparas, aunque también se emplea como elemento de aleación en metales duros, aceros rápidos y en los aceros al molibdeno.

4.11. Tungsteno y sus aleaciones

También denominado wolframio. Se caracteriza por su elevado punto de fusión (3400° C), el más alto de todos los metales, y por su elevada densidad (20,6 g/cm2). Cristaliza en estructura cúbica centrada en el cuerpo (BCC). Es dúctil y maleable. Por su temperatura de fusión se emplea en la fabricación de filamentos de lámparas y en contactores eléctricos. Como elemento de aleación se emplea en aceros rápidos y en metales duros.

5. Aleaciones ligeras.

El consumo mundial de productos férreos es mucho mayor que el del resto de metales y aleaciones debido al precio, la gran variedad de propiedades que pueden obtenerse y a la facilidad de obtención de piezas por procedimientos tan variados como el arranque de viruta, la fundición, forja y soldadura. Sin embargo, los productos férreos tienen ciertos inconvenientes que no los hacen aptos para un gran número de aplicaciones. De entre ellos se destaca su facilidad de corrosión, deficiente conductividad y elevada relación resistencia/peso.
Las aleaciones ligeras incluyen a metales como el aluminio, magnesio, titanio y berilio, todos ellos con una densidad inferior a 4500 kg/m3. De las citadas, todas se consideran aleaciones ligeras excepto la de magnesio que se considera aleación ultraligera.
Las aleaciones ligeras de aluminio, magnesio y titanio se caracterizan por su poco peso, su resistencia a la corrosión y su facilidad de reciclaje.
El aluminio (Al) se emplea en aplicaciones que requieran ligereza, buena conductividad y elevada resistencia a la corrosión. Su mayor aplicación es en conductores eléctricos.
El magnesio (Mg), más ligero que el aluminio, se caracteriza por su facilidad de moldeado en fundición. Permite construir piezas extremadamente ligeras, complejas y de gran resistencia. Actualmente se emplea en la fabricación de llantas, elementos de la suspensión y asientos.
El titanio (Ti) tiene excelente relación resistencia /peso baja conductividad y coeficiente de dilatación, excelente resistencia a la corrosión. Su elevada temperatura a la fusión le confiere un buen comportamiento a elevadas temperaturas y su buena biocompatibilidad con los sistemas biológicos lo hace muy apto en la fabricación de prótesis en aplicaciones biomédicas.
Las aleaciones ligeras forman parte de las aleaciones no férreas y comprenden al aluminio, titanio y al magnesio y sus aleaciones.

5.1. Aluminio y sus aleaciones

Es uno de los elementos más abundante en la corteza terrestre. Se caracteriza por su poco peso, gran resistencia a la corrosión y elevada conductividad térmica y eléctrica. Cristaliza en un sistema FCC (cúbico centrada en las caras) siendo muy dúctil y maleable.
La elevada resistencia a la corrosión y oxidación se debe a la capacidad para formar una fina capa de óxido de aluminio que lo protege de la oxidación.
La adición de elementos aleantes permite incrementar su resistencia a la corrosión (cromo, magnesio y manganeso). Otros elementos como el cobre, hierro, níquel y cobalto aumentan su resistencia.
La resistencia mecánica del aluminio disminuye al aumentar la pureza. Se puede mejorar su comportamiento mecánico por aleación con otros metales, por tratamientos térmicos de envejecimiento o con procesos de forja.
La clasificación de las aleaciones de aluminio se realiza según el proceso de transformación y a su vez de la capacidad de poder ser tratada térmicamente.

5.2. Titanio y sus aleaciones

Es un elemento muy abundante en la corteza terrestre (el noveno más abundante) pero caro en su extracción y afino. Se caracteriza por su ligereza, buena relación resistencia peso, baja conductividad y dilatación, por su excelente resistencia a la corrosión y buen comportamiento a elevada temperatura.
Su elevada temperatura a la fusión le concede un buen comportamiento a elevadas temperaturas.
La resistencia mecánica del titanio puro es baja pero puede aumentarse con la adición de elementos de aleación, por tratamiento térmico o por deformación en frío (acritud).
Reacciona con facilidad con el oxígeno para formar óxido de titanio (TIO). La capa de óxido es mucho más protectora y adherente contra la corrosión y oxidación que la formada por el aluminio (Al2O3). Sin embargo, por encima de los 536º C la capa de óxido pierde adherencia y el titanio se fragiliza.
Otra de las características que lo hace muy apreciado en la industria es su biocompatibilidad con tejidos y huesos. Se emplea en la fabricación de prótesis óseas y dentales.
5.3. Magnesio y sus aleaciones

Se caracterizan por su baja densidad (1,7 g/cm3) la menor de los metales estructurales, compitiendo con el aluminio (2,7 g/cm3). Se utiliza en la fabricación de componentes que requieren bajo peso (aeronáutica y automoción de competición).
La estructura del magnesio es hexagonal compacta (HC), confiriendo baja capacidad de deformación a temperatura ambiente por sus únicos tres sistemas de deslizamiento principales. Es blando, tienen pequeño módulo elástico (45x10 MPa), poca resistencia a la termofluencia, a la fatiga y al desgaste. Buen comportamiento a forja a 300-500° C y se mecaniza con gran facilidad.
Se conforma en la mayoría de los casos por moldeo a temperatura de entre 200 y 300° C por ser difícil de conformar a temperatura ambiente. Tienen baja temperatura de fusión (651° C). Es inestable químicamente y susceptible a corrosión. En forma de polvo quema con facilidad. El calentamiento de pequeñas virutas de magnesio en contacto con aire provoca su combustión por lo que no pueden mecanizarse en máquinas herramientas a elevadas velocidades de corte.
El coste del magnesio es mayor que el del aluminio por lo que sólo es apto en aquellas aplicaciones en las que se requiere baja densidad y temperaturas de trabajo no muy elevadas.
La principal aplicación del magnesio es como elemento aleante en las aleaciones ligeras y como elemento principal de las ultraligeras.

5.4. Berilio y sus aleaciones

Es más ligero que el aluminio (1820kg/m3), con estructura hexagonal compacta (HC) y propiedades mecánicas que dependen mucho de los elementos aleantes adicionados. El berilio puro es dúctil y maleable pero al alearse con silicio, cobre o hierro se vuelve duro y frágil.
Su elevada temperatura de fusión (1280º C), mayor que el magnesio y el aluminio, junto con su excelente módulo elástico lo convierten en uno de los metales con mejores propiedades. Sin embargo, su uso es muy limitado por su escasez y elevado coste.