Metales

La palabra metal viene del latín “Matallum” que a su vez viene del griego “Metallon” que significa mina, filón o veta.

Los metales son sustancias inorgánicas compuestas por uno o varios elementos metálicos, y pueden incluir elementos no metálicos. Naturalmente, los metales tienen una estructura cristalina ordenada en la que los átomos están dispuestos de manera sistemática. Esta estructura contiene una gran cantidad de electrones, (electrones de valencia) que no están vinculados a un átomo específico y son los que otorgan a los metales la mayoría de sus características.

En general, los metales son excelentes conductores de calor y electricidad, tienen un brillo metálico característico cuando se cortan, son opacos a la luz y se pueden moldear con facilidad. Además, tienen una alta capacidad de deformación permanente, lo que se conoce como ductilidad. Los metales también tienen una buena resistencia mecánica a temperatura ambiente e incluso a altas temperaturas en algunos casos.

Por ejemplo, en la industria aeronáutica, se utilizan diferentes metales y aleaciones para fabricar distintas partes del avión. El aluminio se usa para las alas y el cuerpo del avión debido a su bajo peso y a su resistencia mecánica adecuada. El acero, que es más resistente pero más pesado, se utiliza en partes sometidas a grandes esfuerzos, como el tren de aterrizaje de la aeronave. En cuanto al motor, que está sometido a altas temperaturas, se necesitan aleaciones resistentes como las de titanio o níquel.

Las principales características de los materiales metálicos se pueden resumir a:

• Tipo de enlace interatómico: metálico conformando una estructura cristalina específica de los metálicos.
• Resistencia aceptable hasta media temperatura.
• En general, buenos conductores del calor y la electricidad.
• Tenaces y deformables, en general.
• Poseen altas densidades.

Ejemplos: Aceros, aluminios, cobres, titanio, superaleaciones, etc.

Evolución histórica de los metales

En proceso de SLM la microestructura resultante es de granos austeníticos elongados en la dirección de fabricación que atraviesan varias capas con crecimiento epitaxial. Su aspecto es fino celular dendrítico debido a la rápida solidificación generada por las altas velocidades de enfriamiento, Figura 1.

9000 ~3500 AC Uso del metal en estado nativo (Cobre y Oro) fundamentalmente como amuletos, joyas, ornamentos	3500 ~ 1500 AC Los sumerios y egipcios descubren que la adición de Sn genera una aleación más fuerte. Inicio de la Edad de Bronce	1500 ~ 100 DC. El desarrollo de mejores fraguas da el paso a un nuevo material. El Hierro, inicialmente persas e indios
500 AC ~ 1600 DC Desarrollo aislado del del hierro (feudalismo)	1400 ~1600 (Renacimiento) Apertura de nuevos desarrollos y tecnología del Hierro lo que implicó un progreso en general	1600 ~ 1750 Alquimistas y químicos descubren nuevos metales, la mayoría por error y nuevos conceptos de metalurgia
1750 ~ 1850 Desarrollo de la producción industrial del hierro abarata costos y propicia la revolución industrial	1850 ~ 1900 Proceso Hall – Perrault Reducción del aluminio.	1900 ~ 1935 Mejoras de los materiales y procesos existentes
1935 ~ 1970 Desarrollo de nuevas aleaciones y superaleaciones	1970 ~ Desarrollo de superaleaciones con fines específicos	1980 ~ Desarrollo de nuevas técnicas de procesado

Clasificación de los metales

Normalmente los metales y sus aleaciones (combinación o mezcla de un metal con otros elementos químicos) se dividen en dos grandes categorías:

• Ferrosos: Los metales y aleaciones ferrosas que contienen un alto porcentaje de hierro (Fe) como es el caso del acero.
• No ferrosos: Los metales y aleaciones no férreas, que carecen de Fe o lo tienen presente en cantidades muy pequeñas, como es el caso del aluminio (Al), el titanio (Ti), el níquel (Ni), el magnesio (Mg), el cobre (Cu) y sus aleaciones.

Hoy en día debido al desarrollo tecnológico que se ha experimentado en los últimos 50 años, también se realiza una clasificación en función del proceso al que se someten.

• Aleaciones de forja. Son aquellas destinadas a fabricar piezas por deformación y/o corte.
• Aleaciones de colada. Las destinadas para procesos de solidificación en moldes.
• Aleaciones de pulvimetalurgia que pueden ser por aleado mecánico o por aleado en la fusión. Destinadas a diferentes procesos de fabricación, entre ellos, prensado y sinterización así como procesos de fabricación aditiva como procesos deposición de energía focalizada (DED), fusión en lecho de polvo metálico (PBF) entre otros.

Los materiales ferrosos, como su nombre lo indica se refiere a las aleaciones base Hierro, en ellas se engloban un gran número de aleaciones como son los aceros bajos, medios y de alto carbono, los aceros inoxidables y las fundiciones.

Aceros al carbono y de baja aleación. Los aceros se pueden clasificar de acuerdo con su contenido de carbono y se designan en hipoeutectoide (%C < 0.77) y en hipereutectoides (%C > 0.77). Adicionalmente en función del contenido en elementos aleantes se clasifican en aceros al carbono (también llamados aceros al carbono o no aleados) y aceros aleados.

Aceros al carbono (aceros no aleados u ordinarios): La composición típica puede ser: Fe, C (0.05-0.80%), Mn (<0.60%), Si (<0.30%), P (<0.04%) y S (< 0.04%). Dentro del intervalo señalado del porcentaje de C, la mayoría de los aceros de uso industrial se encuentra entre 0.10 y 0.30% y, tradicionalmente alrededor de 0,20 al 0.25%, la razón por la que el porcentaje de carbono sea relativamente bajo es para facilitar la soldabilidad, es decir, la capacidad para que pueda ser soldado.

Los aceros aleados son aquellos que poseen uno o varios elementos aleantes por lo general en cantidades superiores al 1%. A su vez, los aceros aleados se suelen subdividir en: aceros de baja aleación (menos de 5% de elementos aleantes) y aceros de alta aleación (más de un 5%). Dentro de este último grupo están los aceros inoxidables y una parte de los aceros de herramientas, en particular, los llamados aceros rápidos.

El acero inoxidable, es una determinada aleación de hierro, cromo y níquel como materiales base, junto con otros elementos como el titanio, molibdeno, niobio, etc, y según la cantidad y combinaciones de estos elementos, las propiedades y las aplicaciones varían. Por lo tanto, según la composición química de los elementos aleantes los aceros inoxidables se clasifican en tres grandes series. La serie austenítica o serie cromo-níquel, la serie martensítica y la serie ferrítica o serie cromo. Los del tipo austenítico no son magnéticos pero después de mecanizados, de doblados, embutidos, etc, puede que en ciertas ocasiones parte del material trabajado, modifique su estructura y resulte ligeramente atraído por el imán.

Metales termorresistentes. Los metales son muy utilizados en estructuras, pero deben soportar diferentes temperaturas, esfuerzos y condiciones. Es importante elegir el metal adecuado para cada rango de temperatura:

• Temperaturas de menos de 250°C: no representan un problema importante para los metales estructurales. A medida que se incrementa la temperatura, la oxidación atmosférica se convierte en un problema.
• Temperaturas de entre 250°C y 400°C: en este rango, los aceros al carbono o de baja aleación se suelen emplear como materiales convencionales, y se mejoran con adiciones de molibdeno, cromo y vanadio.
• Temperaturas de entre 400°C y 650°C: aquí, aparece el problema de la termofluencia, por lo que se requieren materiales especiales que la soporten. Se pueden introducir elementos de aleación como el cromo, molibdeno, vanadio, wolframio, niobio y titanio.
• Temperaturas de entre 650°C y 1100°C: este es el rango de temperaturas típico en el que trabajan las turbinas de gas, y donde se utilizan las superaleaciones, que contienen hierro, cobalto, níquel y cromo. Los aceros austeníticos son el material más económico para utilizar en este rango de temperaturas.
• Temperaturas de entre 1100°C y 1500°C: solo cuatro metales refractarios son viables industrialmente: niobio, molibdeno, wolframio y tántalo. Aún así, presentan baja resistencia a la oxidación y sus óxidos son volátiles.
• Temperaturas superiores a los 1500°C: el wolframio y el tántalo son los únicos metales industriales que mantienen una resistencia adecuada. En general, estas temperaturas se aplican durante tiempos cortos.
• Otra opción interesante es el grafito, que presenta propiedades especiales en este rango de temperaturas. El grafito eleva su resistencia y disminuye su fragilidad, y hay componentes de grafito que mantienen su estabilidad hasta temperaturas de 2600°C.

Las superaleaciones son materiales que se utilizan en aplicaciones industriales que requieren una alta resistencia a la temperatura, la corrosión y la fatiga. Las superaleaciones base níquel son las más comunes y están compuestas principalmente de níquel con algunos elementos de aleación como cromo, hierro, cobalto, titanio, niobio o aluminio. El níquel proporciona buenas propiedades de plasticidad y resistencia en caliente, mientras que los elementos de aleación mejoran la resistencia a la corrosión y a la temperatura.

Las superaleaciones base cobalto también son utilizadas en aplicaciones industriales que requieren alta resistencia a la temperatura y al choque térmico. Sin embargo, debido a la escasez mundial de cobalto, hoy en día se utilizan preferentemente superaleaciones base níquel que contienen cobalto.

Por último, las superaleaciones base hierro se desarrollaron a partir de los aceros inoxidables austeníticos. Estas aleaciones presentan una relativa buena resistencia a la fluencia hasta temperaturas de 650 °C, pero se han desarrollado aleaciones con elementos de aleación adicionales para aumentar su rango de temperatura de trabajo.

En el mercado, hay cinco grandes grupos de superaleaciones comerciales: Monel®, Inconel®, Incoloy®, Nimonic® y Stellites®. Cada grupo contiene muchos tipos distintos que responden a su composición química y a sus propiedades, y cada tipo está diseñado para cumplir requisitos de trabajo muy específicos en aplicaciones industriales.

Los metales en fabricación aditiva

En los últimos años, ha habido una creciente demanda y oferta en la fabricación aditiva de metales, lo que ha llevado al desarrollo de nuevas tecnologías y materiales en este campo. La fabricación aditiva permite la producción de piezas con geometrías complejas y propiedades mecánicas excepcionales que no se pueden lograr con los métodos de fabricación tradicionales. Por ello pese a las limitaciones de los diferentes procesos, cada día se desarrollan nuevas técnicas y nuevos materiales. El éxito del procesar estos materiales parte de un adecuado estudio de parámetros de proceso, estrategias de procesado que para algunas tecnologías se centra en el precalentamiento del material o de la propia placa de construcción, control de las condiciones ambientales de la cámara de construcción y control de la materia prima.

Se utilizan metales en formato polvo y formato hilo. En general, los materiales más empleados en la Fabricación Aditiva hoy en día son:

• Titanio y sus aleaciones, por ejemplo Ti6Al4V, Ti6Al4V ELI, Ti grado 2, ti grado 1, TiAl.
• Aceros inoxidables, por ejemplo 316L, 304L, 308L, 17-4PH y 15-5PH.
• Aceros especiales incluyendo los de herramientas, por ejemplo maraging 1.2709, acero H13 y acero H12.
• Aleaciones de níquel, por ejemplo Nickel 718, Nickel 625, Haynes®282 y Nickel 939.
• Aleaciones cromo cobalto, por ejemplo F75 Cobalt-Chromium y CoCrMo.
• Aleaciones de aluminio, por ejemplo AlSi10Mg y AlSi7Mg.
• Cobre y sus aleaciones, por ejemplo Cobre puro y CuCrZr.