Tipos de metales: propiedades, aplicaciones y usos

Tipos de metales: Guía de propiedades, aplicaciones y usos industriales

Conocer los tipos de metales disponibles es fundamental para tomar decisiones acertadas sobre los materiales en cualquier proyecto de soldadura, mecanizado o ingeniería. Desde los postes de acero al carbono que sostienen los rascacielos hasta las placas de titanio biocompatibles, los metales constituyen la base del mundo moderno, a menudo sin que nos demos cuenta. Aquí encontrará una explicación sencilla de los tipos de metales, comparaciones de sus propiedades cuantificables y una tabla que relaciona cada uno con su uso ideal.

¿Qué es un metal? Definición y estructura atómica.

Por definición, un metal es un elemento químico que se ioniza fácilmente para formar iones positivos (cationes) y que forma enlaces metálicos entre estos iones. Dichos enlaces químicos generan un "mar" de electrones libres que se encuentran en constante movimiento a lo largo de toda la estructura cristalina. Esto explica las propiedades que presentan todos los metales: alta conductividad eléctrica y térmica, maleabilidad, ductilidad y, al pulirse, brillo.

Es esa compartición de electrones la que da lugar a un cable de cobre por el que circula corriente y a una viga de acero que se dobla al pasar por él, rompiéndose. Los electrones deslocalizados en los metales permiten que una capa de átomos se deslice sobre otra bajo tensión sin romperse los enlaces, como ocurre con la cerámica o el vidrio, que se rompen en lugar de doblarse. Esta deslocalización electrónica confiere a los metales su ductilidad cuando se estiran en hilos finos o se laminan en láminas, es decir, su maleabilidad.

Si alguna vez has intentado trabajar contra el metal en una prensa plegadora doblar metal Seguramente ya habrás visto la unión metálica en la práctica.

En general, la tabla periódica está dominada por metales en la parte central izquierda, entre los que destacan los metales de transición del bloque d, como el hierro, el cobre, el níquel, el titanio y el cromo, fundamentales en la producción industrial. Los metales alcalinos, como el litio y el sodio, y los metales alcalinotérreos, como el magnesio y el calcio, se ubican en el extremo izquierdo, pero su reactividad hace que ninguno de ellos sea adecuado para aplicaciones estructurales en su estado natural. En resumen, 94 de los aproximadamente 118 elementos conocidos pueden identificarse como metales.

Y dos de esos 94 elementos metálicos son líquidos a la temperatura ambiente promedio: el mercurio y el galio.

El estado líquido a temperatura ambiente es bastante inusual en la tabla periódica, dentro de una familia de estados que generalmente se caracteriza por la fuerza del elemento en estado sólido.

Para la ingeniería práctica, los metales se dividen en tres grandes grupos:

• Les métaux ferreux – Ferronickel, Argent ferreux… Contiennent du fer. (ej: acier, fonte, fer…)
• Metalli non ferrosi – nessun il contenuto di ferro (Aluminio, rame, titanio, zinco)
• Aleaciones: mezclas diseñadas de dos o más elementos, al menos uno metálico (latón, bronce, Inconel).

Supongamos que cada sección de la lista a continuación presenta un grupo de metales que se estudia en profundidad individualmente, luego compara las propiedades que se pueden medir de cada uno y demuestra en qué aplicaciones cada grupo de metales realmente funciona bien.

Propiedades clave de los metales que determinan la selección industrial

La elección de un metal para un proyecto nunca se reduce a un solo valor numérico. El fabricante considera la relación resistencia-peso, las especificaciones de conductividad, las características de corrosión en el entorno de servicio real y, finalmente, el presupuesto y la maquinabilidad. A continuación, se presentan en una tabla seis metales de ingeniería típicos, con los parámetros más importantes a considerar.

La resistencia a la tracción es la tensión máxima que un metal puede soportar antes de agrietarse. En esta categoría, el titanio destaca con 950 MPa, razón por la cual algunos de sus principales usuarios a nivel mundial son los ingenieros aeroespaciales que lo utilizan en trenes de aterrizaje y álabes de turbinas. En el extremo más débil de la escala, el zinc solo soporta 37 MPa, lo que significa que se utiliza para recubrimientos y carcasas de fundición a presión, pero no para estructuras.

La conductividad eléctrica se mide como un porcentaje del estándar internacional de cobre recocido (IACS). El 100 % equivale al cobre puro. El aluminio tiene un 43 % de IACS, lo que no lo convierte en el mejor conductor eléctrico, pero es lo suficientemente ligero como para fabricar buenos cables para torres de alta tensión, ya que pesa un tercio del volumen del cobre. El titanio se encuentra en el extremo inferior, con solo un 3 %, lo que lo hace inútil para el cableado, pero ideal como material para implantes corporales y craneales, donde la conductividad eléctrica sería perjudicial.

La resistencia a la corrosión depende de la capacidad del metal para formar una capa protectora de óxido. La capacidad del aluminio para formar una capa de óxido de silicio (Al₂O) que previene la corrosión de forma natural es realmente notable; ni siquiera es fácil crear una capa tan gruesa y protectora. El acero inoxidable requiere un mínimo del 10.5 % de cromo en el metal base para que se forme una capa de óxido de cromo. El acero al carbono dulce verde, contaminado solo con trazas del elemento que le confiere al acero inoxidable su excelente resistencia a la corrosión, se corroe rápidamente en ambientes húmedos y salinos a menos que esté pintado, galvanizado o protegido de alguna otra manera.

¿Qué tipos de metales son magnéticos?

Los imanes atraen diversos metales de tres maneras diferentes. Los materiales ferromagnéticos atraen los imanes con gran eficacia y son los únicos metales que pueden convertirse en imanes permanentes. Estos son los únicos metales que los platos magnéticos pueden sujetar durante el mecanizado. Los materiales diamagnéticos, como el oro y el cobre, son prácticamente repulsivos a un campo magnético; para comprobarlo, sería necesario utilizar equipos de laboratorio. Se dice que los materiales paramagnéticos, como el aluminio o el titanio, presentan una atracción magnética muy débil, prácticamente imperceptible a simple vista. En la industria, la regla general es simple: si un metal se adhiere a un imán, contiene hierro, níquel o cobalto.

“Todos los metales implican un compromiso. Alta resistencia, bajo peso, resistencia a la corrosión y bajo precio rara vez se combinan en una sola aleación. El problema del ingeniero mecánico consiste en determinar qué dos o tres propiedades son las más importantes para el cliente y conformarse con el resto”.
— Principio de ingeniería de materiales, parafraseado de las directrices de ASM International

Metales ferrosos: acero, hierro fundido y aleaciones de hierro.

Más del 90% de los metales del mundo son ferrosos, es decir, tienen una base de hierro. En 2024 se produjeron más de 632 millones de toneladas métricas de acero bruto, una cantidad asombrosa que supera con creces la de todos los demás metales juntos. Esto se debe a una razón de peso: el hierro es abundante, existe la infraestructura necesaria para transformar el mineral en metal y las propiedades físicas del acero pueden modificarse enormemente, o incluso desaparecer por completo, simplemente añadiéndole aditivos como carbono y elementos de aleación.

Acero al Carbón

El acero al carbono se clasifica según su porcentaje de carbono:

• Acero de bajo contenido de carbono/acero dulce (<0.25 % C): soldable, conformable y mecanizable. El AISI 1018 es el grado estándar de uso general para soportes, fijaciones y elementos estructurales. Resistencia a la tracción aproximada: 440 MPa.
• Acero al carbono medio (0.25-0.60 % C): más resistente y duro, utilizado en ejes de automóviles, engranajes y vías férreas. El acero AISI 1045 tiene una resistencia a la tracción típica de alrededor de 585 MPa.
• Alto contenido de carbono (0.60-2.0 % C): Muy duro, se utiliza para herramientas de corte, muelles y alambre. Se puede tratar térmicamente para alcanzar una dureza extremadamente alta, pero presenta una microestructura muy frágil y una soldabilidad muy deficiente.

Acero Inoxidable

Los aceros inoxidables requieren al menos un 10.5 % de Cr para ser considerados inoxidables. El cromo forma una capa de óxido invisible en la superficie que proporciona una excepcional resistencia a la corrosión. Tres grados representan la gran mayoría de los usos industriales:

• 304 (18 % Cr / 8 % Ni): El acero inoxidable más utilizado en el mundo. Se emplea en la industria alimentaria, fregaderos de cocina, molduras arquitectónicas y tanques de procesamiento químico. No es magnético en estado recocido.
• 316 (16 % Cr / 10 % Ni / 2 % Mo): La adición de molibdeno proporciona una excelente resistencia a la corrosión por picaduras de cloruro. Se especifica para herrajes marinos, equipos farmacéuticos y arquitectura costera. Su costo es aproximadamente un 20-30 % mayor que el del 304.
• 430 (17 % Cr, sin níquel): un acero ferrítico magnético, más económico que el 304, adecuado para paneles decorativos, embellecedores de electrodomésticos y sistemas de escape de automóviles.

Para proyectos que involucren corte por láser de acero inoxidableTanto el acero inoxidable 317 como el 316 presentan un perfil de corte limpio al realizar el corte con láser de fibra con la potencia y la configuración de gas adecuadas, pero el 316 requiere un poco más de potencia debido a su mayor contenido de molibdeno.

Aleación de acero

Los aceros aleados utilizan combinaciones de cromo, molibdeno, vanadio, níquel, etc., para producir propiedades funcionales:

• El acero de grado 4140 (Cr-Mo) proporciona una excelente tenacidad y resistencia a la fatiga, por lo que se utiliza comúnmente en los collares de perforación de petróleo y gas, los ejes y los sujetadores de alta tensión.
• La aleación de grado 4340 (Ni-Cr-Mo) es una aleación de grado aeroespacial con una resistencia muy alta en profundidad, utilizada en trenes de aterrizaje, engranajes de transmisión de potencia y herramientas de alta resistencia.

Hierro fundido

• El hierro fundido gris (3-4% C) es extremadamente frágil, pero absorbe y amortigua muy bien las vibraciones. Esto lo convierte en el material base ideal para máquinas herramienta y bloques de motor. Las escamas de grafito presentes en su microestructura transforman la energía de vibración en calor.
• El hierro fundido dúctil (nodular) contiene grafito en forma de nódulos esféricos en lugar de escamas, lo que mejora enormemente su resistencia al impacto y su ductilidad. Se utiliza para accesorios de tuberías, cigüeñales y engranajes de alta resistencia.
• El hierro fundido blanco es muy duro y resistente al desgaste. Se utilizaba para fabricar revestimientos resistentes a la abrasión para molinos de bolas y bombas de lodos.

El hierro forjado al rojo vivo —un material históricamente importante para puertas, barandillas y cadenas— ha sido reemplazado por aceros dulces más económicos y fáciles de mecanizar. Los productos modernos de "hierro forjado" suelen ser de acero dulce moldeado para imitar el hierro forjado.

¿Qué tipos de metales se oxidan?

La oxidación es una reacción química específica: ocurre cuando el hierro interactúa con el oxígeno y la humedad, formando una capa de óxido (óxido ferroso, FeO) que debilita y descascara el acero antiguo. Todos los metales ferrosos son vulnerables, ya que su composición implica la presencia de hierro. El acero al carbono dulce se oxida con mayor rapidez ante la exposición a la niebla salina o la alta humedad. Los aceros aleados, como el 4140, también son propensos a la oxidación a menos que estén lubricados, pintados o protegidos de alguna otra manera.

En el caso del acero inoxidable, la barrera contra la oxidación es el óxido de cromo, y se dice que la aleación es "resistente" en lugar de "a prueba de óxido". En particular, el acero inoxidable de grado 304 puede sufrir corrosión por picaduras en ambientes con cloruros (agua de mar, sales descongelantes, soluciones salinas) a temperaturas superiores a los cincuenta grados centígrados. Por eso, las especificaciones para plantas marinas y químicas indican que se debe usar acero inoxidable 316, cuyo contenido de molibdeno del 2 % previene este tipo de corrosión.

La mayoría de los demás metales que no son ferrosos no son magnéticos y no se oxidan porque no contienen hierro. Sufren sus propias variantes de corrosión; el aluminio produce óxido de aluminio blanco en polvo y el cobre produce el atractivo efecto de cardenillo verde en techos y estatuas antiguas. Estos niveles de óxido son, de hecho, resistentes a la corrosión posterior, lo contrario del óxido ferroso que se descama y que se vuelve más molesto cuanto más se intenta controlarlo.

Metales no ferrosos: aluminio, cobre, titanio y más.

Los metales no ferrosos no contienen hierro, lo que significa que no se oxidan de la misma manera, ya que este proceso depende de la presencia de hierro. Suelen ser no magnéticos y más resistentes a la corrosión que los materiales ferrosos, además de ser más conductores y ligeros; pero también más caros y, en ocasiones, requerir métodos de fabricación diferentes.

Aluminio:

El aluminio se encuentra en mayor proporción en la corteza terrestre, representando el 8.2% de la misma, siendo la segunda mayor concentración después del oxígeno. A pesar de ello, era más costoso que el oro hasta el descubrimiento de la tecnología Hall-Héroult en 1886. Actualmente, es el segundo metal más popular después del acero, gracias a su baja densidad (2.70 g/cm³), su resistencia a la corrosión y su facilidad de mecanizado.

La aleación de aluminio 7075, de alta resistencia y bajo peso, tiene una resistencia a la tracción de 570 MPa, similar a la del acero al carbono medio. Lamentablemente, es muy resistente a la soldadura y más cara que la aleación 6061.

Debido a que el aluminio refleja casi el 90% de la longitud de onda de un láser de CO2, soldadura láser de aleaciones de aluminio Requiere un control preciso de la reflexión y la conducción del calor.

Cobre y aleaciones de cobre

El cobre (C11000) define el 100 % IACS como una medida de su conductividad. Se utiliza como referencia fija para cableado eléctrico, barras colectoras e intercambiadores de calor. El problema radica en su blandura: con una resistencia a la tracción de tan solo 220 MPa, no puede soportar cargas estructurales.

• La primera aleación de cobre utilizada comercialmente, el latón, que al alearse con el otro elemento metálico (zinc), resulta significativamente más dura que el cobre, intrínsecamente resistente a la corrosión y fácil de mecanizar, se utiliza para herrajes, instrumentos de viento, herrajes decorativos y casquillos de munición.
• El bronce es una aleación compuesta de cobre y estaño que proporciona mayor resistencia y protección contra la corrosión en ambientes de agua salada que el latón. Sus usos tradicionales incluyen hélices de barcos, cojinetes y herrajes marinos.

Procesamiento láser del cobre: ​​su especularidad es lo que lo convierte en un desafío para procesar con láser. Debido a su alta reflectancia, las fuentes láser de fibra con una longitud de onda cercana a 1,070 nm son mucho más adecuadas que las fuentes de CO₂. Lea más sobre Cortando cobre con un láser.

Titanium

Ti-6AL-4V; la aleación de titanio por excelencia: 950 MPa de resistencia a la tracción con 4.43 g/cm³, el ejemplo más representativo de aceros de resistencia media, con un peso un 44 % menor. El mundo confía en el titanio por esta ventaja en los sectores aeronáutico, médico y de competición de alto rendimiento.

Una limitación de costos que no se aborda en el marketing es que, con un costo por kilogramo entre 25 y 100 veces mayor (según la forma y el grado) que el acero inoxidable, y con una tasa de fabricación de tan solo el 22%, la fabricación de componentes con titanio resulta costosa. El titanio se justifica cuando el ahorro de peso o la facilidad de fabricación del componente justifican su uso; en el resto de los casos, el acero inoxidable o el aluminio son una opción mejor y más económica.

Otros metales no ferrosos

• El zinc se utiliza en diversas aplicaciones; la más común es la galvanización, que consiste en aplicar un recubrimiento de zinc al acero o al hierro para protegerlo contra la corrosión. La segunda aplicación más popular es la fundición a presión para manijas de puertas y molduras de automóviles.
• El níquel se encuentra en superaleaciones (Inconel, Hastelloy) que rigen las turbinas de gas y los motores a reacción que funcionan a temperaturas superiores a 700 grados centígrados; y también puede utilizarse como recubrimiento en procesos de galvanoplastia y en baterías.
• El estaño contribuye a las aleaciones de soldadura para componentes electrónicos, y el estañado es común en latas de alimentos y en la construcción con bronce.
• El plomo está presente en aproximadamente el 80% de la producción mundial de baterías, así como en aplicaciones de blindaje contra la radiación y de lastre; pero la demanda se ve afectada por las restricciones normativas sobre toxicidad.
• Los metales preciosos (oro, plata, platino) encontraron su lugar en la joyería, los circuitos (conexión por hilo de oro), los convertidores catalíticos (paladio y platino) y la inversión;

Aleaciones metálicas: cómo la combinación de elementos mejora el rendimiento.

Una aleación es una mezcla de un elemento metálico con uno o más elementos, metálicos o no. El resultado deseado es la creación de un conjunto de propiedades que no se podrían obtener con los dos o más componentes utilizados por separado. El acero es una aleación: hierro y carbono. El bronce es una aleación: cobre y estaño. Toda la civilización comercial del mundo moderno se basa en la producción y el procesamiento de aleaciones en lugar de elementos metálicos vírgenes, debido a la incapacidad general de los metales vírgenes para satisfacer las exigencias de resistencia, dureza, resistencia a la corrosión o módulo de elasticidad de los entornos de servicio reales.

La aleación se produce mediante una «perturbación a nivel atómico». La presencia de átomos extraños distorsiona la disposición regular de las redes cristalinas, impidiendo la difusión de las dislocaciones —las imperfecciones que permiten la deformación de los metales—. De lo contrario, las dislocaciones móviles se liberan y los metales flexibles se convierten en materiales rígidos y más duros.

Escenario: Un taller de fabricación que está pasando del acero dulce al acero inoxidable 316L para procesar alimentos debe cambiar su alambre de soldadura (material de aporte 316L), sustituir el gas de protección por argón con un 2 % de monóxido de carbono y reducir la velocidad de corte en aproximadamente un 30 %. La selección de la aleación mineral determina todos los procesos de fabricación posteriores: utillaje, fijación, ajustes de soldadura y etapas de rectificado o pulido. La elección del material nunca es un proceso independiente.

Además de la clasificación entre metales ferrosos y no ferrosos, resulta útil agruparlos en metales base (fácilmente oxidables: zinc, hierro, estaño, aluminio), nobles (resistentes a la oxidación: oro, platino, paladio) o según su grupo en la tabla periódica. Estos grupos —transición (bloque d), metales alcalinotérreos, lantánidos— se encuentran disponibles como categorías separadas.

Cómo elegir el metal adecuado para tu proyecto

Los errores en la selección del metal son la causa más común de fallos en la fabricación y, por lo general, son irreparables: una vez soldada la unión, no se puede desoldar. La siguiente matriz compara diez metales comunes en seis parámetros, en una escala del 1 (malo) al 5 (excelente).

Selecciones específicas para cada aplicación

• En lo que respecta al mecanizado CNC, el aluminio 6061 se destaca como el mejor material no ferroso, mientras que el acero dulce 1018 parece ser la mejor opción para los materiales ferrosos. En términos de maquinabilidad, obtienen una puntuación superior a 4 en facilidad de trabajo.
• El corte por láser es óptimo para el acero dulce: es el más fácil de cortar y es el metal más apto para el láser. Libre de óxidos y resistente a la combustión, otros metales menos deseables incluyen el acero inoxidable (que, sin embargo, requiere un láser de mayor potencia), el aluminio (mejor con un láser de fibra debido a la reflexión) y el titanio (el corte por láser se reserva para piezas caras y de alto valor). Visite la lista de materiales que un láser de fibra puede cortar para más opciones
• Para entornos corrosivos, se utiliza acero inoxidable 316L o titanio, con un grado de corrosión por picaduras de 5 para una protección óptima contra la corrosión y la oxidación. El titanio solo se utiliza si la reducción de peso compensa entre 25 y 100 veces el costo del material.
• En el caso de aplicaciones estructurales y arquitectónicas, tanto residenciales como comerciales, el acero al carbono (1018 o A36) ofrece clasificaciones de resistencia y coste de 3 y 5 respectivamente.
• Las aplicaciones electrónicas e informáticas utilizan cobre para lograr una conductividad eléctrica IACS del 100 % y aluminio (con mayor densidad) para carcasas ligeras y disipadores de calor.

¿Qué tipo de metal se puede utilizar en el corte por láser?

Casi todos los metales se pueden cortar con láser si se cuenta con el equipo adecuado, pero se necesitarán máquinas diferentes. Si se van a cortar metales muy reflectantes como el aluminio, el latón o el cobre, se pueden usar láseres de fibra de 1070 nm. Estos no tendrán problemas con los iones reflejados, ya que los láseres de CO2 tienen una longitud de onda de 10600 nm; la parte posterior del láser impacta contra el resonador y/o lo daña.

El acero dulce es el metal más apto para el corte láser del mundo, ya que produce un corte de buena calidad a mayor velocidad y a menor coste que cualquier otro. Los aceros inoxidables requieren entre un 20 % y un 30 % más de potencia láser que un acero dulce de espesor equivalente para su corte, y es necesario el sellado con gas inerte de titanio (normalmente argón).

Para una comparación lado a lado de las tecnologías láser de fibra versus CO2, consulte la Comparación entre láser de fibra y láser de CO2 sección. También puede interesarle saber cuál Los materiales se pueden marcar con un láser de fibra. y cómo se combinan con varios tipos de metal, o viendo nuestro máquina de marcado láser Gama de equipos capaces de procesar componentes de acero, aluminio, cobre y titanio.

Nota sobre la reciclabilidad: Casi todos los elementos metálicos pueden reciclarse indefinidamente con muy poca alteración de sus propiedades básicas. El reciclaje de aluminio utiliza solo el 5 % de la energía necesaria para producirlo a partir de bauxita y es uno de los procesos más eficientes energéticamente jamás inventados. El acero es el material más reciclado del planeta en términos de peso.

Preguntas frecuentes

¿Cuáles son los 10 tipos de metales?

¿Cuántos tipos de metales existen?

¿En qué se diferencian las aleaciones de los metales puros?

¿Qué tipo de metal no se oxida?

¿Qué tipos de metales se pueden reciclar?

¿Qué tipo de metal se puede utilizar en la impresión 3D?

¿Son los metales generalmente maleables y dúctiles?