Materials No Metàlics

ELS PLÀSTICS

• Els materials que quotidianament coneixem com a plàstics o resines no són més que polímers orgànics, és a dir molècules molt grans formades per àtoms de carboni juntament amb altres d'hidrogen, oxigen, clor, fluor, nitrogen o silici.
• Pel que fa als polímers se'ls pot classificar en tres tipus:

•  Naturals: són present en certs vegetals i en certs animals (cautxú, cel·lulosa, caseïna...).
• Artificial: s'obtenen industrialment despès de la modificació dels polímers naturals (ebonita, caseïna...).
• Sintètics: s'obtenen industrialment a partir dels seus components elementals (polietilè, polipropilè, PVC, niló...).

- Elaboració d'objectes plàstics

• En el procés d'elaboració dels plàstic hi ha dos processos ben diferenciats, el procés és el següent:

• Sinterització dels polímer

• Els processos per a l'obtenció dels polímers industrials es coneix amb el nom de polimerització, hi ha dues formes diferents de realitzar aquest procés:

• Poliaddició (cadenes d'homopolímers)

• Policondensació (cadenes de copolímers)

• En aquest dos processos anteriors l'únic que passa és que els monòmers reaccionen entre si fins formar molècules gegants de polímers, coneguts com "grau de polimerització".

• Processos de conformació dels polímers

• Aquest procés els limita a donar forma als polímers per poder tenir un us en la societat, per això fa servir diferents tècniques que a continuació exposo:

• Extrusió: és una tècnica que consisteix en fer circular el granulat de plàstic escalfat per dins d'un tub gràcies a l'acció d'un cargol. Al final del tub i a el motlle, on la massa del plàstic entra a pressió, aquest motlle està envoltat d'aigua per refrigerar el plàstic i d'aquesta manera conformar la pesa.

• Emmotllament per extrusió i bufament: consisteix en seguir els pasos anteriors amb la diferencia que quan el motlle esta pler de plàstic s'introdueix aire a pressió per un extrem per tal de crear un buit al seu interior, d'aquesta manera obtenim recipients com les botelles de plàstic, etc...

• Emmotllament per injecció: és el mateix procés que l'extrusió amb la diferencia que quan la massa de plàstic fos arriba al final tot el cargol es desplaça longitudinalment i força la seva entrada dins del motlle, aquest procés s'utilitza a l'hora de conformar peces molt complexes amb una acabats molt precisos com ara, acabats d'electrodomèstics o peces d'automòbil.

• Emmotllament per escumeig: funciona de la mateixa manera que les anteriors amb la diferencia que el plàstic aquest cop posseeix un additiu escumejant, el qual, en contacte amb la calor, el fa inflar i omple la totalitat del motlle.

• Emmotllament al buit: es tracta d'utilitzar un motlle en uns petits orificis per on pot circular l'aire, de tal manera que quan el plàstic està disposat al seu interior aquest fan l'efecte buit, treuen tot l'aire de dins del motlle i el plàstic s'adapta en aquest.   

• Emmotllament per compressió: consisteix en utilitzar un motlle amb dues parts, una de fixa i una altra de mòbil amb sistema d'escalfament. S'introdueix a la part fixa la quantitat de plàstic necessària per realitzar la pesa desitjada, i després la part mòbil, exerceix pressió de tal manera que aquells polímers es fonen i adquireixen la forma del motlle. 

                                

• Calandratge: consisteix en alimentar uns corrons escalfadors amb el granulat de plàstic que es vol conformar. El material en fase viscosa es fa circular entre els corrons fins que adopta el gruix i la textura desitjada.

                                 

- Tipus d'estructures dels polímers

• Estructures lineals (termoplàstics)

• Estructures ramificades (termoplàstics)

• Estructures entrecreuades (elastòmers)

• Estructures reticulades (termoestables)

- Els additius

• Càrregues: milloren la resistència mecànica i la tenacitat, a més d'abaratir el cost final del producte.

• Plastificants: redueixen la duresa i la fragilitat i milloren la ductilitat i la tenacitat.

• Estabilitzants: son components químics que augmenta la resistència del plàstics a la radiació ultraviolada. 

• Colorants: donen color al plàstic

• Ignífugs: dificulten la inflamació i la futura propagació de les flames en cas de que el polímer s'encengui.

• Desemmotllants: són substàncies orgàniques que faciliten el desemmotllament d'aquests.

• Lubrificants: són substàncies que milloren el lliscament dels plàstic sobre qualsevol superfície.

- Aplicacions dels polímers més comuns

• Polietilè: ampolles flexibles, tubs i joguines

• Poliestirè: aïllant tèrmic i acústic en embalatges

• Clorur de polivinil: revestiments de terres, canonades, cable elèctric.

• Polimetacrilat de metil: substitut dels vidres en els avions o vaixells.  

• Politereftalat d'etilè: revestiment de begudes carbòniques i encordellat de pneumàtic.

• Polipropilè: revestiments de productes i en contenidors de tota mena.

• Tefló: revestiment antiadherent d'estris alimentaris i químics.

• Niló: coixinets, engranatges.

• Policarbonat: cascs de protecció i seguretat, fars de l'automòbil.

• Resines epoxi: revestiments protectors i decoratius.

• Resines fenòliques: plaques de base per a circuits d'impressora.

• Resines d'urea i de melanina: agafadors i botons.

• Resines de poliestirè insaturat: vidres per a carrosseries lleugeres de trens, vaixells.

• Cautxú natural i sintètic: pneumàtics, calçat, manegues

• Poliuretà: coixins, matalassos

• Neoprè: peces de roba idònies per fer submarinisme

• Silicones: revestiment de juntes, també és un bon aïllant

• Copolímer d'acrilonitril: revestiment de frigorífics.

LES FUSTES

• Són un material natural amb un estructura complexa i no homogènia que bàsicament està formada per molècules de cel·lulosa reforçada d'una capa d'una substància anomenada lignina.

• Hi ha dos tipus de fusta bàsicament:

• Natural

• dins d'aquesta es poden diferenciar entre dura i tova.

fusta natural

• es molt important controlar el % d'humitat que conte cada fusta

• Artificial

fusta artificial

• dins d'aquesta es poden diferenciar tres tipus també:

• el contraplacada (contraplacats)

• l'aglomerada (aglomerats)

• l'enllistonada (tablex i DM)

LES CERÀMIQUES

• Podem classificar els materials ceràmics segons les seves aplicacions:

• Argiles: es troben fàcilment a la terra i en afegir-hi aigua es transformen en una massa plàstica a la qual es pot donar molt fàcilment la forma desitjada. Dintre d'aquestes podem distingir entre les estructurals (maons, totxanes, lloses, teules, etc.) i les porcellanes (vaixelles, aïllants, proteccions dentals,etc.)

• Ciments: a diferencia de les argiles, els ciments no s'endureixen per una evaporació o coacció, sinó que s'endureixen degut a un seguir de reaccions químiques amb l'aigua. Entre els cimens, els més coneguts poden ser, ciment pòrtland, el guix i la calç.

• Refractaris: són utilitzats en la construcció de forns ja que suporten molt bé les altes temperatures, els seus principals ingredients són, l'alúmina, el sílicie i la magnèsia.

                        

• Vidres: són el producte de la fusió del sílice amb altres òxids i que tenen una estructura de sòlid amorf. Tenen una gran transparència, fragilitat i duresa com a propietats principals.

FIBRES TÈXTILS

• La principal aplicació de les fibres tèxtils es la filatura i el posterior tissatge, de tipus de fibres tèxtils n'hi ha moltes, a continuació deixo una petita taula on les classifiquem: 

- Propietats i aplicacions

• Resistència a la tracció: per suportar els esforços del tissatge i de l'ús dels teixits

• Elasticitat: ja que si te una certa elasticitat és més còmoda.

• Uniformitat: atès que permet d'obtenir productes més homogenis.

• Higroscopicitat: capacitat per absorbir la humitat.

• Aïllament tèrmic: ja que un teixit aïllant proporcionarà abric a l'hivern.

• Suavitat al tacte: fonamental quan ha d'estar en contacte amb la roba.

• Resistència als productes químics: per facilitat la tintura, el rentat i el permanent.

MATERIALS COMPOSTOS

• Els materials compostos estan formats per dos o més materials combinats, forma i grandària diferent, sense que hi hagi una composició química entre els dos.

• Un clar exemple n'és el formigó armat, el qual combina l'acer i el propi formigó.

esquema pilar de formigó armat

• També podem trobar les resines reforçades amb fibres, un exemple en són les perxes i els tirants de la Torre de Collserola. A continuació us deixo un recull de les resines més comunes amb les seves propietats: 

• Un altre exemple podria ser el contraplacat i l'emparedat, les quals són dues tècniques d'elaboració de materials compostos que tenen com a objectiu comú l'obtenció de materials lleugers, rígids i resistents. 

Metalls No Fèrrics

L'OBTENCIÓ DELS METALLS

• Habitualment el procediment que s'utilitza per a l'obtenció dels diferents metalls passa per l'aplicació de processos metal·lúrgics a les menes, aquest processos són diferents per cada un dels metalls en que es tracta, el procés metal·lúrgic del ferro no és el mateix que el de l'alumini per exemple, tot i això la majoria tenen moltes coses en comú:  

- Enriquiment del mineral

• Aquesta fase consisteix en preparar el mineral obtingut a la mina per poder-li aplicar les accions posteriors, per realitzar aquesta acció es segueixen unes accions, les quals són les següents:

• Trituració: per mitjà d'uns engranatges, els quals acostumen a ser cilindres giratoris, trinxen totes les roques de superfície més gran. (Al següent video es pot observar aquest procés).

• Concentració: aquest procés consisteix en la separació de la mena i la ganga per un mitja físic, és a dir sense cap reacció química

- Reducció

• Consisteix en la separació de la major quantitat de metall desitjat de la resta d'elements que l'acompanyen. Per aquest procés s'utilitza el forn de reverber, que té el següent funcionament:

- Afinament

• Després de tots els processos anteriors aplicats, molts metalls encara no tenen la puresa necessària per a poder aplicar-los en els processos de transformació pels quals els em buscat, degut en això els hi queda un últim pas, l'afinament, el qual es pot realitzar de dues maneres diferents: 

• L'afinament tèrmic: és realitza en forns on s'hi aplica oxigen, aire o alguns productes químics.

Esquema afinament electrolític

• L'afinament electrolític: és realitza en uns contenidors els quals contenen productes químics , en aquest contenidors si submergeixen uns elèctrodes (càtode "-", ànode "+"), després de fer passar una gran quantitat d'electricitat continua aquests separen químicament els àtoms dels metalls. Les impureses precipitaran al fons del recipient. 

COURE

• És un dels primers metalls utilitzats per la humanitat ja que es tenen dates de que la seva metal·lúrgia es va iniciar pels voltants del 4500 aC. 

• No és un metall dels més abundants a la nostra escorça terrestre però se'n troba a la majoria de països pioners en extracció de metalls de l'escorça com poden ser, els Estats units o l'actual Rússia.

• El coure és un material dens, tou i plàstic que es pot treballar molt bé en fred tot i que presenta acritud (fenomen que comporta l'augment de la duresa i la resistència mecànica)

• S'utilitza amb més freqüència en cablejat elèctric, cadenes, bescanviadors de calor i les canonades d'aigua i de gas.

- Aliatges del coure

• Llautons: és la combinació de coure + zinc i s'utilitza per a la decoració sobretot, tot i que també es pot utilitzar com a material d'instruments musicals, vàlvules, coixinets, cartutxos, engranatges, etc...

• Bronzes: es l'aliatge del coure u qualsevol altre metall diferent al zinc. S'utilitza pels àleps de les turbines, les campanes, la decoració, etc...

El bronze

El llautó

L'ALUMINI

• És el material més abundant a l'escorça terrestre.

• Possiblement la nostra era és considerarà l'edat d'alumini, ja que és el principal metall utilitzat a l'industria del segle XXI 

• S'obté de la bauxita, la qual té un procés complex d'extracció, l'aluminia té facilitat per combinar-se en altres materials i formar compostos degut en això és un procés costos.

• La seva principal utilització està en cablejat elèctric, bescanviadors de calor,estris de cuina, envasos i embolcall de la industria alimentaria.

- Aliatges de l'alumini

A la següent taula podrem observar alguns dels aliatges més comuns de l'alumini:

PULVERIMETAL·LÚRGIA

• És una tècnica per obtenir o donar forma a materials metàl·lics a partir de components que fonen a temperatures molt elevades, que tenen una extremada duresa o altres característiques especials que fan que no hi siguin aplicables processos d'obtenció o conformació tradicionals.

• Pasos a seguir:

• Obtenció de les pólvores: 
• Mecànics (polvorització i atomització)

• Físics i químics (reducció d'òxids, electròlisi, descomposició tèrmica i condensació) 

• Compressió: consisteix en posar aquestes pólvores en un motlle de la forma que volem aconseguir comprimir-ho.

• Sintetització: desprès del la compressió, les peces són sotmeses a altes temperatures dins d'un forn, per millorar la seva duresa gràcies al cuit.  

Metal·lúrgica i Siderúrgia

INTRODUCCIÓ

• Des dels inicis l'ésser humà s'ha sentit atret per petites pedres brillants, en aquella época encara no tenien un nom, però avui ja ho coneixem com or. Des de que l'home ha tingut la necessitat d'algun utensili ha recorregut a les matèries primeres i una de moltes ha estat els minerals.

• Per poder gaudir de les utilitats de qualsevol material s'han de seguir tres processos molt similars:

• Mineria: consisteix en l'extracció i l'enriquiment dels minerals

• Metal·lúrgia: consisteix en l'obtenció i l'afinament

• Indústria Metàl·lica: la qual està encarregada de la mecanització i la conformació del producte final.

• Els diferents minerals que podem trobar a la capa terrestre, la natura, no ens posa gents fàcil la seva extracció, de tal manera que d'una mina de ferro, per exemple, no en surt ja un ferro pur, per aquest motiu podem diferenciar entre mena (és la part del mineral rica en el metall que busquem) i la ganga (la qual posseeix poca quantitat del mineral que busquem).

ALIATGES

• Podem parlar dels metalls purs, però hi ha moltes vegades que no obtenim el màxim rendiment d'un material fins que no el combinem en un altre, gràcies en això disposem de materials molt més bons, aquestes "combinacions" de materials s'anomenen aliatges. Cal destacar i recordar, que l'obtenció d'un bon aliatge depen de la quantitat de cada material en ell, no per més quantitat és millor, la proporcionalitat és molt important en aquest àmbit.

Un exemple dels aliatges més comuns

• Una part important a l'hora d'aconseguir un aliatge és molt important la solidificació d'aquest, a diferencia dels metalls, un aliatge té tres àrees de refredament:

• L'àrea de fase líquida (estat líquid)

• L'àrea de fase líquida + sòlida (estat "semi")

• L'àrea de la fase sòlida (estat sòlid)

• Una característica important també és el fet que durant la seva solidificació la temperatura es manté constant. La temperatura de fusió és la més baixa de tots els components que el formen. Són mescles finíssimes i molt homogènies, en les quals no es poden distingir ni capes ni filaments solidificació, els quals manifestarien una mala fusió dels components.

EL FERRO I ELS SEUS ALIATGES

• Característiques del ferro: 

• Punt de fusió: 1539 ºC
• Color: blanc grisós
• Densitat: 7,87 g/cm3
• Propietats mecàniques: dúctils i mal·leables
• Fàcilment magnetitzable

• Industrialment coneixem un aliatge anomenat ferro pur, el qual es el resultat entre la unió del ferro i el carboni, sempre hi quan la taxa de carboni no superi el 0.03%.

- Solidificació del ferro:

• A la solidificació del ferro és pot observar el fenomen anomenat varietats al·lotròpiques, que són el resultat de les estructures cristal·lines que pot solidificar un metall; gràcies en aquest fenomen podem separar diferents tipus de ferro per la seva concentració en carboni:

• Varietat delta (𝝳): als 1539ºC la temperatura és manté constant i aquesta capa és solidifica.

• Varietat gamma (𝜸): als 1390ºC aquí és torna a mantenir constant durant una estona i mentre la massa canvia la seva estructura cristal·lina.

• Varietat beta (𝞫): després de que la temperatura decaigui fins als 900ºC  la massa canvia cap a aquesta varietat

• Varietat alfa (α):  aquí la temperatura ja ha baixat fins als 750ºC, aquí la massa es de la varietat alfa i es manté fins aconseguir la temperatura ambiental.

- Aliatges ferro-carboni

• Les formes d'aquest aliatge són condicionades per la quantitat de carboni posades en la combinació:

• Ferrita (0.02% de carboni) és un aliatge amb la varietat del ferro alfa amb una duresa de 90 HBW.

• Cementita (6.67% de carboni) és un aliatge que forma el carbur de ferro. posseeix una duresa de 700 HBW.

• Perlita:  (+85.5% de carboni → ferrita     +13,5% de carboni → cementita)  amb un índex HBW de 200.

• Austenita (1,76% de carboni) s'obté de combinar el carboni amb el ferro gamma, amb el qual obtens uns 300 HBW.

• Martensita (0.89% de carboni) aliatge de carboni amb ferro alfa, amb una duresa entre els 495 i els 745 HBW

L'ACER I LES FOSES

• L'acer es el producte entre els aliatges de ferro-carboni els quals estan entre el 0,1% i el 1,76%, és consideren foses quan el contingut de carboni oscil·la entre l'1,76% i el 6,67% i a més a més contenen silici. A la pràctica el contingut de carboni de les foses està entre el 3 i el 4,5%.

- Tipus d'acers: 

• Baix (<0,3) carrosseries d'automòbils

• Mitjà (de 0,3 a 0,6) rodes i carrils de tren

• Alt ( de 0,6 a 1,4) eines de tall i molles

- Tipus de foses:

• Blanca: cilindres dels trens del laminatge de l'acer

• Grisa laminar: estructures de màquines

• Grisa dúctil: cossos de bombes

• Processos d'obtenció del ferro colat i l'acer

En aquest esquema següent es pot observar clarament el funcionament d'un alt forn, on les principals matèries són:

             

                   - Mineral de ferro

                   -Carbó de coc

                   - Pedra calcària 

• Per altra banda també existeixen els convertidors d'oxigen, on l'objectiu és el mateix, fondre el ferro i el carboni a altes temperatures per poder facilitar el seu aliatge i d'aquesta manera obtenir l'acer.

• El forn elèctric, consisteix en en un cilindre d'acer refrigerat per un circuit d'aigua al seu voltant, el qual consisteix en portar les temperatures fins als "límits" mitjançant un mecanisme d'elèctrodes.

TRACTAMENTS TÈRMICS

Consisteix en sotmetre l'acer a uns canvis de temperatura controlats, per tal de variar les proporcions dels seus constituents

Gràfica del procés del tremp

- El tremp:

• Aquest procés s'aplica quan és vol aconseguir una elevada duresa i resistència mecànica. Consisteix en obtenir un acer amb una gran quantitat de martensita. Aquest procés consisteix en agafar l'acer en estat plasmàtic i posar-lo directament en aigua o en oli usat de cotxe, d'aquesta manera l'austenita es transforma en martensita.

- El revingut:

Gràfica procés del revingut

• Consisteix en un escalfament a temperatura inferior als 723ºC (d'aquesta manera evitem la formació d'austenita) i un refredament posterior a l'aire. D'aquesta manera millorem la tenacitat de l'acer i reduïm les tensions de l'acer trempat.

- La recuita:

Gràfic procés de la recuita

• S'utilitza quan és vol disminuir la duresa i incrementar la plasticitat d'un acer per poder-lo deformar i treballar fàcilment. En general consisteix en un escalfament a temperatura elevada i un refredament lent.

-El normalitzat:

Gràfica procés del normalitzat

• Consisteix amb l'escalfament fins a la temperatura d'austenització i un refredament a l'aire (a velocitat més lenta que el tremp però més ràpida que la recuita).