Upload
others
View
8
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
Els materials
IES Sivera Font-CFGM
1
TEMA
I
Els
ma
teri
als
in
du
str
ials
Els materials
IES Sivera Font-CFGM
2
I Materials industrials
1. Classificació dels materials industrials
2. Propietats dels materials
2.1. Propietats físiques
2.2. Propietats mecàniques
2.3. Propietats químiques
2.4. Propietats ecològiques
3. Materials utilitzats en els equips i instal·lacions
3.1. Materials metàl·lics
3.1.1. Acers i foses
3.1.2. Alumini
3.1.3. Coure
3.1.4. Bronze
3.1.5. Llautó
3.2. Polímers
3.3. Altres materials
4. Nomenclatura i sigles de comercialització.
Els materials
IES Sivera Font-CFGM
3
Classificació dels materials industrials
Les instal·lacions industrials utilitzen molts materials diferents. Aquestos formen
part dels equips, de les màquines i de les pròpies instal·lacions.
Donada la diversitat de materials existents anem a utilitzar una classificació senzilla
que s’adequa als nostres propòsits. Per tant els materials industrials es poden
classificar en:
Taula 1. Classificació dels materials industrials
Metalls Polímers Ceràmics Compostos
Són substàncies inorgàniques compostes per un o més elements metàl·lics.
Són substàncies orgàniques formades per estructures mol·leculars o xarxes constituïdes per cadenes de carboni.
Són substàncies inorgàniques compostes per elements metàl·lics i no metàl·lics cohesionats químicament.
Estan formats per més d’un tipus de material per tal d’aconseguir una combinació de propietats adequada.
Acer
Fosa
Alumini, coure
Bronze, llautó
Polietilé, PVC
Baquelita
Cautxú
Porcellana
Carbur de silici
Vidre
Fibra de vidre
Formigó
Fibres de grafit
Propietats dels materials
Per a cada aplicació concreta és necessari utilitzar el material més adequat. Així no
és mateix fabricar la bancada d’una màquina que el tub per a evaquar fums. Per
tant a l’hora d’elegir el material més adient per a una aplicació concreta hem
d’estudiar quines són les propietats que necessitem que tinga el material elegit. Així
definirem les propietats dels materials com la forma que tenen els materials de
comportar-se davant l’acció de forces o agents exteriors.
2.1. Propietats físiques
Són propietats intrínsiques dels materials, i d’entre moltes puguem destacar:
Densitat
És la relació entre la massa i el volum que ocupa un material. Com a referència
s’agafa la densitat de l’aigua (1kg/dm3), de forma que aquells materials que tenen
una densitat superior no suren en l’aigua i els que la tenen menor que 1 si.
La densitat és interessant ja que un mateix objecte fet, per exemple d’acer o
1
2
BAIXA DENSITAT Poliestiré expandit 10 a 25 kg/m3
DENSITAT ELEVADA Plom 11,3 kg/dm3
Els materials
IES Sivera Font-CFGM
4
d’alumini, pesarà quatre vegades més si està fet d’acer.
Activitat 1:Completa les dades de la densitat dels materials de la graella.
Conductivitat elèctrica
Ens indica si un material deixa passar el corrent elèctric a través d’ell. Així els
materials es classifiquen en materials conductors i materials aïllants.
Aquesta propietat es mesura en siemens/metre (S/m) en el Sistema Internacional
(SI), i s’utilitza per determinar quins materials són els més adequadats per a
fabricar els cables elèctrics.
Conductivitat tèrmica
Aquesta propietat determina la facilitat amb la qual un material deixa passar la
calor. En funció d’aquesta propietat i de la necessitat o no de deixar passar la calor,
elegirem el material més adequat per a fabricar un obejecte determinat.
Per exemple, en una planxa industrial necesitem aplicar dos materials diferents, un
aïllant de la calor amb el qual es recobrirà la caldera d’aigua calenta per a evitar
que perda temperatura, tanmateix necessitarem utilitzar un material conductor de
la calor en la sola de la planxa.
acer bronze alumini PVC coure fusta marbre
AÏLLANTS del corrent elèctric. Materials no metàl·lics: vidre, plàstic, fusta, porcellana, etc
CONDUCTORSdel corrent elèctric. Materials metàl·lics: coure, alumini,
acer, llautó, plom, etc
CONDUCTORStèrmics. Materials metàl·lics: coure, alumini,
acer, llautó, plom, etc
AÏLLANTSde la calor. Materials no metàl·lics: vidre, plàstic,
fusta, porcellana, etc
Aïllament d’una
canonada
Radiador de calefacció
Els materials
IES Sivera Font-CFGM
5
Resistència a la temperatura
És la capacitat que tenen els materials per a mantenir les seues característiques
mecàniques quan augmenta la temperatura. Aquesta propietat té relació amb
l’anomenat punt de fusió, que és aquell en el qual un material comença a fondre’s.
Cal tenir en compte que quasi tots els metalls perden les seues propietats
mecàniques prou abans de la temperatura del punt de fusió.
Activitat 2:Completa les dades dels punts de fusió dels materials següents.
2.2. Propietats mecàniques
Elasticitat
És la capacitat de recuperar la forma original després d’experimentar una
deformació baix l’acció d’una força.
Ductilitat i mal·leabilitat
És la capacitat d’adquirir deformacions plàstiques (permanents) baix esforços de
tracció o compressió. La ductilitat permet a un material estirar-se en forma de fils
prims mitjançant una operació anomenada trefilat. I la mal·leabilitat permet a un
material conformar-se en forma de l’amines molt fines amb l’operació anomenada
laminació.
acer plom alumini platí wolframi bronze estany
TREFILAT per obtenir fil de coure
LAMINAT per obtenir paper d’alumini
Les fulles de serra són un exemple de material elàstic però al mateix temps dur
El plom no és un material elàstic, ja que si
el corbem no recuperarà la forma inicial
Els materials
IES Sivera Font-CFGM
6
Tenacitat
És la resistència d’un cos a trencar-se baix l’acció d’esforços bruscos.
Duresa
És la resistència d’un material a ser ratllat o penetrat per una altre material.
Aquesta propietat té una relació directa amb els desgast que pateixen les peces que
estan en contacte i tenen un moviment relatiu entre elles com passa, per exemple
en els eixos i els seus coixinets.
Quan més dura siga la superfície d’un material més resistent és al desgast i per
tant major serà la seua duració. Ara bé, moltes vegades cal trobar una solució de
compromís entre duresa, duració i comfort. En un automòbil els pneumàtics són de
cautxú, un tipus de goma molt blana, que serien molt còmodes per als passatgers
però que durarien molts pocs quilòmetres. Així la goma de les rodes es vulcanitza
per donar-li major duresa i així que puguen durar molts més quilòmetres que sense
vulcanitzar.
Una altre exemple són els eixos d’acer, aquest material no és excessivament dur,
això vol dir que girant en el seu coixinet tardaria poc de temps en desgastar-se, per
això els eixos reben un tractament superficial en aquelles zones on van els coixinets
de forma que augmenten notablement la seua duresa i la seua resistència al
desgast.
2.3. Propietats químiques
Resistència a l’oxidació
És la capacitat dels materials per a no oxidar-se. Pràcticament quasi tots els
materials metàl·lics són inoxidables, però curiosament aquell material que més
s’utilitza a nivell industrial com és l’acer si que s’oxida baix l’acció dels agents
externs (aire, aigua, etc). Per això en els equips fabricats en acer s’han de prendre
les mesures més adients per a protegir-los de la corrossió ambiental.
Un material tou és pot serrar, trepar o llimar
Diamant: és el material més dur de la natura i només es pot tallar amb un altre diamant. Ací un disc de diamant tallant
formigó
Els materials
IES Sivera Font-CFGM
7
Resistència química
És la estabilitat dels materials front a l’atac de determinats agents químics. Per
exemple, abans de poder-se utilitzar recipients de plàstic per a contindre àcid
sulfúric havien de ser o tindre un recobriment intern de plom, ja que aquest
material suporta bé l’atac d’aquest àcid.
2.4. Propietats ecològiques
Els materials també tenen propietats relaciones amb el medi ambient, i d’entre
totes elles puguem destacar les següents:
Materials utilitzats en les instal·lacions i equips industrials
Els materials utilitzats, tant en les instal·lacions com en els equips industrials, són
d’una enorme diversitat, encara que quasi tots han de passar per un procés
d’obtenció més o menys complicat fins obtenir el material que necessitem. Tant sols
l’or es troba en estat natiu (es estat pur) en la natura. A continuació veurem una
classificació dels materials del quals estem parlant.
L’oxidació pot ser tan greu com per a comprometre la resistència de les
estructures
Hi ha diversos procediments de protecció contra la corrosió, el galvanitzat, pintat, amb
elèctrodes dde sacrifci
Reciclables, són els que es poden tornar a utilitzar per a fabricar nous
productes
Biodegradables, són els que es descomponen de forma natural per acció dels agents atmosfèrics i els
èssers vius.
Tòxics, són els que tenen efectes nocius sobre el medi ambient i els éssers vius. Poden ser el petroli,
mercuri, cadmi, residus radiactius, etc
3
Els materials
IES Sivera Font-CFGM
8
Classificació dels materials
3.1. Materials metàl·lics
Són els que porten en la seua composició una part més o menys elevada de
materials com ferro, alumini, coure, estany, etc. Aquests materials poden
classificar-se en en materials fèrrics i no fèrrics, segons el ferro entre en la seua
composició o no.
3.1.1. Acers i foses
Encara que la paraula ferro designa , en sentit escricte, l’element químic (Fe) en
estat pur, sol aplicar-se també a molts productes elaborats en què aquest es
presenta com a component bàsic mesclat amb altres elements en diferents
proporcions.
El consum
d’aquests
productes en la
indústria
representa
més del 90 %
del consum
total de
materials
metàl·lics, a
causa de les
seues bones
propietats
mecàniques i al
seu cost
d’obtenció,
relativament baix.
El ferro s’obté a partir de diferents minerals (magnetita, oligist, siderita, pirita, etc)
en un procés que té lloc en les instal·lacions anomenades alts forns.
Materials
Metàl·lics No metàl·lics
Fèrrics No fèrrics Naturals Sintètics Auxiliars
Acers
Foses
Ferro dolç
...
Metalls lleugers
Metalls pesants
Aliatges
...
Seda
Fusta
Quars
...
Formigó
Plàstics
Vidre
...
Poliments
Lubricants
Insecticides
...
Els materials
IES Sivera Font-CFGM
9
De l’alt forn s’obté un producte que s’anomena ferro colat i que
després de diferents processos donarà lloc als do productes
bàsics que són l’acer i la fosa.
Acers
Són una mescla de ferro i carboni, amb una proporció d’aquest
entre 0,1 % al 1,76 %. Aquestos acers s’anomenen d’us
general, però afegint-li petites proporcions d’altres metalls
(crom, niquel, molibdé, vanadi, silici, manganés, etc) es poden
aconseguir acers amb unes propietats específiques molts
interessants per a la indústria, com són els acers inoxidables,
acers per a ferramentes, acers elàstics, etc). Els acers també
admeteixen la soldadura i la forja, però s’oxiden amb facilitat.
Una característica molt interessant dels acers és que presenta
molt bona resistència als esforços mecànics de tracció,
compressió, torsió, flexió i cisallament, per això s’utilitza per a
fabricar tot tipus d’elements mecànics.
Amb els diferents tipus d’acer es poden fabricar des de llaunes
de conserva, passant per estructures metàl·liques fins a
vaixells de grans dimensions.
Foses
És l’altre producte bàsic de l’alt forn, la proporció de carboni
oscil·la entre el 1,76 % i el 6,67 %
Quan solifica la fosa es converteix en un material molt dur,
però el seu contingut en carboni i altres impureses el fa fràgil i
trencadís i l’impedeix admetre la forja i la soldadura. En
aquestes condicions, no es pot utilitzar per fabricar peces que
hagin d’estar sotmeses a esforços. A més, aquestes són poc
dúctils, mal·leables i tenaces, encara que tenen bona
maquinabilitat, i són resistents a la corrisió i al desgast.
Segons les impureses que continga, es distingeixen la fosa grisa i la fosa blanca,
nom que reben per l’aspecte que presenta la seua superfície de fractura.
Alumni
És un metall lleuger, que s’extrau d’un mineral anomenat bauxita mitjaçant un
procés electrolític. Té un color platejat, és molt tou, de baixa densitat, presenta una
elevada conductivitat elèctica i és molt dúctil i mal·leable.
L’alumini té dos aliatges bàsics que són el duraluminio (Al, Cu, Mg, Mn) i el
siluminio (Al, Si).
Mitjançant procesos de laminació, en calent o en fred, es poden obtenir barres, fils,
tubs, perfils, làmines, etc.
Al ser un material de baixa densitat i resistent a l’oxidació s’utilitza en aquelles
aplicacions on es necessiten elements de poc pes com per exemple peces d’avions,
d’automòbils, motors de combustió, bicicletes, etc.
A causa de la seua baixa resistivitat elèctrica s’utilitza en la fabricació de cables
elèctrics de gran longitud, en concret en les xarxes de distribució d’energia elèctrica
Tracció
Compressió
Flexió
Torsió
Cisallament
Els materials
IES Sivera Font-CFGM
10
d’alta tensió.
Coure
És el primer metall que l’home va utilitzar per a fabricar ferramentes després de la
pedra.
El coure és un metall de color rogenc, relativament tou, de conductivitat elèctrica i
tèrmica molt elevada, dúctil i mal·leable.
La seua conductivitat elèctrica (només superada per la plata) i la seua ductilitat el
fan especialment indicat per a la fabricació de conductors elèctrica i bobinatges.
L’aire sec i l’aigua pura no l’ataquen a cap temperatura i juntament amb la seua
elevada conductivitat tèrmica el fan apte per fabricar tubs i calderes que s’empren
en intercanvidors de calor i en les instal·lacions industrials.
Bronze
Els bronzes són aliatges de coure amb estany. En general, presenten una elevada
resistència mecànica i bona resistència a la corrosió.
Segons la presència d’altres metalls en l’aliatge, es distingeixen els bronzes per
forjar i els bronzes per fondre.
Els bronzes per forjar tenen gran resistència a la tracció i al desgast, i
s’empren per fabricar xapes, fleixos, filferros i engranatges.
Els bronzes per fondre tenen magnífiques qualitats per a la fricció. Si
Culata de motor d'explossió
Perfils d'alumini
Cables conductors Barres i planxes de coure
Els materials
IES Sivera Font-CFGM
11
s’afegeix plom a l’aliatge, aquest adquereix qualitats autolubricants i
s’empre en la fabricació de coixinets.
Llautó
Els llautons són aliatges de coure amb zinc. En general, són menys resistents als
agents atmosfèrics que el coure, però suporten millor l’aigua i el vapor.
S’empren en la indústria per a fabricar accesoris elèctrics, instruments i peces en
general que tinguen que treballar en ambients humits i tindre bona conductivitat
tèrmica o elèctrica.
D’ell es poden obtindre barres, xapes, fils, perfils, tub, etc. Es pot mecanitzar i
soldar amb soldadura blana.
3.2. Pol·límers
S’anomenen així aquells materials que tenen una estructura cristal·lina formada per
mol·lècules (monòmers) que es repeteixen formant una cadena (polímers). Els
representants més coneguts són els plàstics.
Els plàstics tenen propietats característiques:
Tenen una baixa densitat (entre 0,02 i 2,5 g/cm3)
Són aïllants tèrmics, elèctrics i acústics, i presenten una bona resistència als
agents químics inorgànics i a l’aigua, a l’oxidació i als esforços mecànics.
Poden ser conformats per pressió calor.
Rodes dentades de bronze Coixinets de bronze
Peces per a instal·lacions
Tubs de llautó
Els materials
IES Sivera Font-CFGM
12
Les seues principals aplicacions són productes tan variats com pintures, aïllants
elèctrics, aïllants tèrmics, peces mecàniques, envasos, cobertes de construcció,
carcasses de protecció, fins a components electrònics.
Els plàstics es classifiquen de la forma següent:
Polietilé
PVC
Polipropilé
Poliestiré
TERMOPLÀSTICS
Són els plàstics que se`ls
pot canviar la forma
escalfant-los
PLÀSTICS
TERMOESTABLES
Són els plàstics que a
l’escalfanr-los es degraden i
perden les seues propietast
ELASTÒMERS
Aquestos plàstics es
caracteritzen per la seua
elevada elasticitat
- Polietilé
- PVC
- Polipropilé
- Poliestiré
- Poliamida
- Baquelita
- Melamina
- Poliuretà
- Poliéster
- Làtex
- Neopré
Els materials
IES Sivera Font-CFGM
13
Poliamida
PVC (policlorur de vinil)
Baquelita
Poliuretà
Els materials
IES Sivera Font-CFGM
14
Poliéster
Làtex
Neopré
Els materials
IES Sivera Font-CFGM
15
3.3. Altres materials
Darrerament han aparegut materials totalment nous proporcionats pel que es
coneix com a Ciència dels Materials, aquesta integra moltes altres disciplines, com
la informàtica, la Física, la Química, la Biologia, la Medicina i diferents branques
relacionades amb l’Enginyeria.
Estudia la composició, les fases constituents i la microestructura de tots els
elements per sintetitzar o dissenyar materials nous o combinacions dels ja existents
que tinguen les propietats idònies per a una aplicació molt específica.
Els nous materials s’agrupen en tres tipus: nanomaterials, materials intel·ligents i
biomaterials o biomimètics.
Els camps d’aplicació d’aquests materials són molt amplis i apleguen una gran
varietat de sistemes. Així:
En Elècrònica, en Òptica, en Telecomunicacions, en Informàtica i en
investigació espacial es treballa amb metamaterials, com els híbrids
polimèrics orgànic-inorgànics o les ceràmiques superconductores d’alta
temperatura.
En els sistemes d’emmagatzematge, producció i conversió d’energia,
sobretot de fonts renovables, s’aconsegueixen dispositius més eficients i
menys contaminants.
En la construcció han aparegut nous materials com el composite, que
reuneix dos o més materials en forma de resina polimèrica.
En altres indústries com les de producció agrícola, processament d’aliments i
gestió de residus, processos d’obtenció de metalls, plàstics, cosmètics.
Materials que milloren sensiblement els resultats, estalvien energia i
garanteixen la reducció de la contaminació.
Un exemple d’aquests nous materials seria el grafeno.
És una substància formada per carboni pur (igual que el diamant o el grafit). És
considera 100 vegades més fort que l’acer i la seua densitat és cinc vegades menor
que la de l’alumini, una làmina d’1 metre quadrat pes sols 0,77 mil·ligrams.
És elàstic i molt flexible.
És transparent.
Té una conductivitat tèrmica i elèctrica elevades.
Menor efecte Joule.
Genera electricitat quan rep la llum.
S’autorepara.
Per a una mateixa tasca que el silici, té un menor consumo d’electricitat.
Algunes de les aplicacions del grafeno podrien ser:
Fabricació de cables d’alta velocitat.
Superbateries elèctriques.
Pantalles tàctils i flexibles.
Auriculares i altaveus més professionals.
Càmeres fotgràfiques mil vegades més sensibles.
En medicina podria aplicar-se com anticancerígen.
Fabricació de membranes per a l’òsmosi inversa en la dessalació d’aigua.
Els materials
IES Sivera Font-CFGM
16
Nomenclatura i sigles de comercialització
4.1. Classificació dels acers
El gran nombre de producte que reben genèricament el nombre d’acers ha obligat a
classificar-los segons la seua composició, les seues característiques tècniques i les
seues aplicacions.
A Espanya la norma UNE 36001 creada per l’Instituto del Hierroy del Acero (IHA)
regula aquesta classificació. A la Unió Europea, la norma UNE EN 10020, de l’any
2001, s’encarrega d’aquesta regulació.
Classificació dels acers fins de construcció
Símbol Norma UNE
Codi numèric
Aplicacions
Acers al carboni
F 1140 1.1191
Peces de resistència mitjana. Maquinària agrícola, manegots, caragols. No és recomanable per a soldar.
F 1150 1.1203
Ferramentes agrícoles, tambors de fre. Recomanable per a tremp per inducció
Acers aliats de tremp i reveniment
F 122 1.5864
Acers d’elevat aliatge per a alts esfroços de flexió i alta tenacitat. Molt apte per a peces que no han de tindre deformacions en els tractaments.
F 123 1.5755
Acers al crom-níquel per a peces de responsabilitat: bulons, cigonyals, bieles. Bona resistència al xoc i a treballs a temperatures mitjanes i baixes.
F 1252 1.7225
Acers molt generalitzat per a eixos i bulons. Duresa i tenacitat bones. Bon mecanitzat. Adequat per a tremp per inducció.
Acers per a rodaments
F 1310 1.3505
Material per a la fabricació de rodaments, ferramentes per al a fusta, puntes de torns, escariadors, etc.
Acers per a molls
F 1430 1.8159
Molls de diàmetre inferior a 40 mm. Peces que suporten esforços de torsió, claus fixes, cizells, cisalles, tisores per a filferro, etc.
Acers de cementació
F 1510 1.1121 Peces cementades de dimensions menudes i limitada responsabilitat.
F 1522 1.6223
Acers per a peces cementades de bona tenacitat: pinyons i engranatges menuts per a maquinària agrícola i la indústria de l’automòbil.
F 1560
Acers de bon tremp amb bona tenacitat i duresa en el nucli. Idoni per a grans peces cementades.
Acers de fàcil mecanització
F 2113 1.0736
Acers sulfurat de mecanitzabilitat millorada. Aplicacions que no requereixen grans exigències mecàniques.
Acers inoxidables
4
Els materials
IES Sivera Font-CFGM
17
F 3504 1.4301
Peces de resistència mitjana a agents corrosius: vàlvules, eixos i cossos de bombes. Per aplicació en les indústries químiques, tèxtils i d’alimentació
F 3534 1.4401
Peces de gran resistència a la corrosió. Aplicació en les indústries químiques, tèxtils ,d’alimentació i de producció de paper.
Acers per a ferramenta
F 5220 1.2510
Ferramentes de treball en fred i elevada resistència al desgast: matrius de tall i embutició, tallants per a plàstic, corrons de laminació, etc.
F 3518 1.2738
Motlles d’injecció d’alumini i aliatges de coure. Fileres d’extrussió d’alumini, estampació en calent d’acer, ganivets de tall en calent.
Altres sèries
A més dels tipus d’acers assenyalats la norma UNE recull també altres sèries
d’acers.
La sèries F4 inclou els acers d’emergència d’alta resistència.
En les sèries F6 i F7 s’engloben els acers comuns emprats en la fabricació
de de barres del formigó armat.
La sèrie F8 conté els acers per a emmotllament i foses.
La sèrie F9 es reserva per als acers aliatges especials.
Classificació dels plàstics
Donat que els plàstics són susceptible de processos de reciclatge s’utilitza una
nomenclatura para classificar-los i facilitar la seua separació de cara al reciclatge.
Codis per a classificar els diferents tipus de
plàstics.