Un plástico reforzado está constituido por una matriz de resina polimérica combinada con algún agente de refuerzo. La matriz polimérica permite la conformación del material, dándole cohesión, y las fibras de refuerzo confieren propiedades mecánicas como resistencia y rigidez. Las fibras de refuerzo más utilizadas en aplicaciones para ingeniería son las de vidrio y las de carbono, pudiendo recurrir para aplicaciones específicas las fibras de boro o aramida.

Normalmente el material compuesto está formado por la matriz polimérica y un solo tipo de fibras, de diferente tamaño (cortas, continuas) y disposición (unidireccional, trenzada), siendo menos común la combinación de fibras de distinta naturaleza (vidrio y carbono).

La utilización de los materiales compuestos se ha incrementado en diversos campos de la ciencia y la tecnología debido a su elevada rigidez y resistencia específica, bajo peso, buena resistencia al desgaste y la corrosión, estabilidad dimensional, excelente relación resistencia a fatiga/peso y propiedades direccionales, ofreciendo claras ventajas sobre los materiales convencionales como componentes resistentes o estructurales en un gran número de aplicaciones en los sectores de aeronáutica, automoción, construcción de máquinas y biomecánica. La mayor funcionalidad y la menor necesidad de mantenimiento son también dos razones adicionales para el desarrollo de estos materiales.

Las fibras de vidrio constituyen el refuerzo utilizado de forma mayoritaria debido a que reducen la tasa de expansión, incrementan el módulo de elasticidad, tienen características deseables como su alta rigidez y durabilidad y resistencia a las altas temperaturas y a la corrosión y su bajo precio.

Los materiales compuestos de matriz polimérica se utilizan ampliamente en diversas estructuras como aeronaves, robots, máquinas y prótesis. Estas aplicaciones requieren de una alta calidad superficial, incluyendo exactitud y integridad superficial.

El maquinado en torno

La utilización de los materiales compuestos de matriz polimérica requiere el desarrollo de adecuados proceso de fabricación para obtener componentes mecánicos con características dimensiónales rigurosas.

Los procesos de conformación primarios utilizados son numerosos (inyección, extrusión, bobinado, etc) y dependen tanto de la naturaleza termoplástico o termoestable del material como de la propia aplicación concreta (forma de la pieza, prestaciones deseadas, imperativos de producción). Por procesos de conformación secundarios entendemos las diferentes operaciones de maquinado (torneado, fresado, taladrado). El maquinado es un proceso de fabricación en el cual se utiliza una herramienta de corte para eliminar el exceso de material hasta conseguir la forma y dimensiones deseadas. En los últimos años ha crecido el interés por el maquinado de los materiales compuestos mediante técnicas convencionales y los esfuerzos han ido encaminados a predecir las fuerzas de corte observando los modos de fractura que cusan la separación de la viruta.

El torneado es una de las operaciones de maquinado mas utilizadas en la industria para producir una gran variedad de componentes de acuerdo con especificaciones estrictas de diseño. Las superficies de los acoplamientos mecánicos para diversas aplicaciones tribiologicas se consiguen en la actualidad mediante operaciones de torneado.

El proceso de torneado de los materiales compuestos de matriz polimérica reforzados con fibras es diferente al de los metales y el cuerpo de conocimientos teórico y experimental de los metales no es aplicable directamente.

Los materiales compuestos contienen dos fases con propiedades mecánicas y térmicas muy diferentes, que se traducen en interacciones complejas entre la matriz y el refuerzo.

Las propiedades físicas y térmicas del material compuesto dependen del tipo, porcentaje y orientación de la fibra, de las propiedades de la matriz polimérica así como de la variabilidad de la propia matriz.

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APLICACIONES DEL ÁCIDO FOSFÓRICO

El ácido fosfórico, H3PO4, es un ácido que constituye la fuente de compuestos de gran importancia industrial llamados fosfatos.

A temperatura ambiente, el ácido fosfórico es una sustancia cristalina con una densidad relativa de 1.83. Tiene un punto de fusión de 42.35 °C. Normalmente, el ácido fosfórico se almacena y distribuye en disolución. Se obtiene mediante el tratamiento de rocas de fosfato de calcio con ácido sulfúrico, filtrando posteriormente el líquido resultante para extraer el sulfato de calcio. Otro modo de obtención consiste en quemar vapores de fósforo y tratar el óxido resultante con vapor de agua. El ácido es muy útil en el laboratorio debido a su resistencia a la oxidación, a la reducción y a la evaporación. Entre otras aplicaciones, el ácido fosfórico se emplea como ingrediente de bebidas no alcohólicas, como pegamento de prótesis dentales, como catalizador, en metales inoxidables y para fosfatos que se utilizan, como ablandadores de agua, fertilizantes y detergentes.

¿Qué son los Fosfatos?

Los fosfatos son productos formados por la sustitución de parte o todo el hidrógeno del ácido fosfórico por metales. Según el número de átomos de hidrógeno sustituidos, el compuesto obtenido se define como fosfato primario, secundario o terciario. Así, NaH2PO4, con un átomo de hidrógeno sustituido, se denomina fosfato primario de sodio (también dihidrogenofosfato de sodio), y Na3PO4, con tres átomos de hidrógeno sustituidos, fosfato terciario de sodio. También conocido como fosfato de sodio, el fosfato terciario de sodio se usa como detergente y ablandador del agua. Los fosfatos primarios y secundarios contienen hidrógeno y son sales ácidas. Los fosfatos secundarios y terciarios son insolubles en agua, a excepción de los de sodio, potasio y amonio; los primarios son más solubles.

Los fosfatos son importantes para el metabolismo de animales y plantas. Los huesos contienen fosfato de calcio, Ca3(PO4)2, y el primer paso en la oxidación de la glucosa en el cuerpo es la formación de un éster de fosfato. Para aportar fosfatos al ganado, se usa el hidrogenofosfato de calcio hidratado, CaHPO4 · 2H2O, como suplemento alimenticio. El fosfato primario de calcio, Ca(H2PO4)2, se emplea como ingrediente en fertilizantes para plantas.

En tiempos recientes se ha incrementado la preocupación por los efectos medioambientales perjudiciales de los fosfatos contenidos en los detergentes domésticos. Los detergentes que contienen fosfatos contribuyen a la contaminación del agua, ya que son un medio nutriente para las algas. Si crecieran en exceso, dificultarían la vida acuática de lagos y ríos por la falta del oxígeno.

Aplicaciones del Acido Fosfórico grado técnico

Este ácido fosfórico tiene un aspecto líquido transparente y se provee comercialmente en concentraciones del 75%, 80% y 85%

Sus principales aplicaciones son:

Tratamiento de metales: Fosfatado de metales y abrillantado de aluminio.

Detergencia: Limpiadores de tipo ácido.

Tratamiento de aguas: Aporte de fósforo en aguas residuales industriales (plantas biológicas).

Química: Obtención de fosfatos metálicos.

Aplicaciones de Acido fosfórico purificado

El ácido fosfórico purificado tiene un aspecto Líquido transparente, ligeramente amarillento y se maneja comúnmente en concentraciones de 54% P2O5 (75% H3PO4)

Sus principales aplicaciones son:

Abonos: Complejos líquidos y en suspensión. Fertirrigación y abonos foliares.

Química: Regulador del pH. Fabricación de fosfatos.

Otras aplicaciones del ácido fosfórico

El ácido fosfórico se utiliza en la preparación de abonos y en el riego por goteo. Es además el punto de partida para la obtención de fosfato monoamónico, usado en fertirrigación y en abonos foliares.

El fosfato bi-cálcico y el monocálcico son productos empleado principalmente en la preparación de piensos compuestos por su alto contenido en fósforo digestible y calcio.

El ácido fosfórico es usado como regulador de pH en diferentes industrias, como levaduras, cervezas, aceites y bebidas refrescantes.

El ácido fosfórico técnico interviene en los tratamientos de fosfatado de metales, siendo la industria automovilística su primer consumidor, y asimismo se emplea en los baños para el abrillantado del aluminio.

El ácido fosfórico se utiliza para el blanqueo del caolín, mediante la reducción y posterior eliminación de los iones férricos presentes en el mineral.

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Aplicaciones del cobalto

El cobalto no se encuentra como metal nativo en la Tierra a excepción del que se presenta, en cantidades mínimas, en fases metálicas de los meteoritos. Su contenido geoquímico en las rocas y minerales de la litosfera ha sido establecido en 20 ppm (partes por millón o g/t). Como elemento químico simple el cobalto se integra en las combinaciones que dan lugar a unas setenta especies minerales.

Casi en su totalidad la producción mundial de metal cobalto procede, primariamente, del tratamiento de menas minerales; un pequeño porcentaje de esta producción deriva del reciclado de componentes industriales o productos previamente manufacturados con cobalto. Hay que tener en cuenta, sin embargo, que son excepcionales los depósitos minerales con leyes de interés económico en cobalto, y por ello que la recuperación de este escaso metal suele tener carácter subsidiario respecto a procesos de concentración industrial de otros metales a los que se asocia en la naturaleza, como son el cobre, níquel, cromo, plata, oro, uranio, etc. En consecuencia el cobalto es considerado habitualmente un subproducto o coproducto de los diversos procesos minero-metalúrgicos.

APLICACIONES INDUSTRIALES DEL COBALTO
La mayor demanda mundial de cobalto se genera en el sector industrial dedicado a la fabricación de aleaciones, superaleaciones, carburos cementados y tratamiento de aceros. Según datos referidos al año 2000 Estados Unidos, país a la cabeza en el consumo de cobalto, destinó el 72.26% del mismo a los sectores
mencionados, el 27.12% a industrias de química de base y sectores cerámicos, y el restante 0.72% a otros sectores.

PORCENTAJES DE CONSUMO DE COBALTO POR SECTORES DE APLICACIÓN

EMPLEO DEL METAL COBALTO Y SUS ALEACIONES

A la obtención del cobalto metal se llega tras el tratamiento de menas minerales de cobalto y los consiguientes procesos metalúrgicos de refinado. El metal comercial se obtiene con grados de pureza, o calidades, de 99.30%, 99.65% y 99.80%; también se consiguen productos de pureza superior, como la calidad del 99.9%, de elevado coste y producción limitada, que se destina a fines de investigación y desarrollo.

Por lo que se refiere a las calidades comerciales del metal cobalto, y salvo otras especificaciones por parte del comprador, las formas comunes de presentación son la briqueta, lingote, granalla (granulado sin calibrar), varilla (elementos cilindriformes de 10-12 mm de longitud), cátodos (obtenidos por proceso electrolítico) o el metal en polvo.

El mayor consumo de cobalto refinado se produce en la industria de manufactura de aleaciones y superaleaciones. En líneas generales, las aleaciones con cobalto ofrecen una gama de cualidades físicas muy amplia (en función también de los restantes componentes de la aleación y sus proporciones relativas); por ejemplo, alcanzan muy elevado grado de ductilidad las de Co-Ni-Mn-Ti o, al contrario, muy elevado grado de rigidez las de Co-Cr-Mo-W-Si.

La fusión es un método común en la fabricación de estas aleaciones; no obstante, en la actualidad se obtiene excelentes rendimientos con otros procesos de manufactura como la pulvimetalurgia, que aplica técnicas de prensado a alta presión y en seco, de mezclas de metales en polvo y un posterior calentamiento (sin sobrepasar el punto de fusión de los distintos componentes de la aleación).

Aleaciones no magnéticas de cobalto

La fabricación de aleaciones no magnéticas con base de cobalto absorbe cada año aproximadamente un 50% de la producción minera mundial de cobalto. Son aleaciones adecuadas a condiciones de trabajo extremas ya que reúnen tenacidad, resistencia, dureza e inalterabilidad. Por ello, son de empleo común en aceros resistentes al calor, la corrosión o el desgaste por rozamiento. La gama de sus aplicaciones comprende desde las herramientas de todo tipo, hilos de acero para bandas de resistencia en neumáticos radiales o discos para corte y pulido de metales, hasta usos minoritarios en aleaciones para fabricación de prótesis.

Aleaciones binarias de cobalto con metales no férricos y con hierro

Algunas aleaciones binarias de cobalto con metales no férricos de uso más frecuente son las Co-Ni, Cr - Co, Co-W, Co-Ta, Co-Ti, Co-V, Co-Mo o Co-P. Poseen cualidades de dureza y resistencia, en particular a la oxidación, abrasión y corrosión provocadas por la acción de gases y sales fundidas, o bien al colapso mecánico función del tiempo de uso (proceso denominado fluencia). Las aleaciones del tipo Ni-Co, cuyo contenido en cobalto varía entre el 1% y 18%, son muy utilizadas en manufactura de aceros con revestimientos resistentes y dúctiles, que soportan un pulimento de grano muy fino. Las de Co-W, como la denominada Carboloy del tipo carburo cementado, o las de Co-Cr, como las Stellite patentadas por Elwood Haynes10 en 1899, se emplean en herramientas de mano, discos de sierra, taladros y útiles diversos para la mecanización del hierro, acero y en general materiales de gran dureza.

Las denominadas aleaciones férricas contienen generalmente entre un 12% y un 13% de hierro. Las aleaciones férricas no requieren calentamiento para su mecanización y admiten bien la soldadura. Un contenido abundante de cobalto (incluso superior al 80%) modifica algunas de las propiedades del hierro; el material resultante tolera mayores esfuerzos de tensión y su límite elástico es superior al del hierro sin alear. En otros casos la presencia del cobalto mejora parámetros físicos, como la coercitividad magnética, la conductividad térmica o la conductividad eléctrica (esta última alcanza valores máximos cuando la aleación contiene porcentajes de cobalto entre 10% y 65%).

Durante la manufactura de piezas específicas es posible modular las propiedades de la aleación en función del contenido en cobalto, de modo que las mismas tengan grado de tenacidad variable, en unos u otros sectores o secciones, de modo que se adecua el componente a unas determinadas condiciones finales de trabajo. Es el
caso de útiles para perforación mecánica (coronas o triconos) fabricados con aleaciones de cobalto que presentan en su exterior mayor resistencia al desgaste, rigidez en su sección axial y flexibilidad en la zona intermedia.

Carburos cementados (metal duro)

Las aleaciones del grupo de los carburos cementados contienen carburo de wolframio11, compuesto que confiere al material propiedades de resistencia mecánica, flexibilidad e inalterabilidad, pero también de fragilidad y porosidad. Las propiedades de estas aleaciones se mejoraron con procesos de fabricación que
conseguían fijar la fase carburada a una matriz de partículas metálicas (cobalto, titanio, tántalo, vanadio, niobio, etc.). El resultado es una estructura de gran resistencia mecánica, formada por los granos del componente mayoritario (lo que se denomina la fase mayor) y los restantes componentes minoritarios (fase menor) regularmente distribuidos en los espacios intergranulares. Tal modelo de estructura dificulta los posibles micro-deslizamientos dentro del material; además pueden potenciarse determinadas cualidades de la aleación con posteriores procesados como el de cocción o forja que produce recristalización intergranular de agregados de carburos, el de moldeado que proporciona mayor homogeneidad (envejece la aleación), o el de calentamiento por etapas que facilita las uniones por soldadura.

Las aleaciones de carburo cementado-cobalto se preparan comúnmente con cobalto sinterizado, en un proceso que comprende calentamiento a 1 375 ºC, humidificación y aglutinado con las partículas de carburo de wolframio. La manufactura de carburos cementados implica costes relativamente bajos. Por su resistencia al desgaste, que supera entre 12 y 20 veces la del acero rápido, se emplean en herramientas de metal-duro para mecanizado y corte (taladros, fresas, terrajas, discos de corte, etc.). Otras ventajas se refieren a su punto de fusión, más bajo que el de los carburos de wolframio sin base de cobalto, lo que rentabiliza el coste de la adición de este metal.

Superaleaciones y aleaciones multicomponentes

Las superaleaciones están formadas básicamente por una matriz con níquel o con níquel y otros metales, como el cobalto, y por un porcentaje menor (en torno al 7%) de otros componentes como el cromo, molibdeno, wolframio, carbono, silicio, hierro, etc. Preferentemente se incorpora a tales aleaciones el cobalto en estado alotrópico cph, aunque también se use el fcc.

La aportación principal del cobalto a este tipo de aleaciones es un incremento en la resistencia frente al desgaste y la corrosión a altas temperaturas (superiores a 800ºC). Son por ejemplo de uso frecuente, en la industria aeronáutica, en la fabricación de álabes u otros componentes de turbo-compresores para motores a
reacción, que deben resistir fatiga mecánica y oxidación producida por gases calientes y a presión, o también en la construcción de turbinas de vapor o de gas con similares condiciones de trabajo (aleaciones de denominación comercial X-40, X-45, o aleación 31 Haynes-Stellite).
El cobalto interviene en tipos de aleaciones multicomponentes de aplicación específica. Así, las aleaciones Vitallium (de Co-Cr) por su elasticidad e inalterabilidad se emplean en prótesis dentales, o bien las aleaciones tipo Widia12 o Stellite13 (existen alrededor de veinte tipos de estas últimas, con contenidos entre el 3% y 15% en Co) que reúnen cualidades de resistencia a la corrosión, erosión, abrasión y descamación en la superficie ("galling"). Determinadas aleaciones multicomponentes participan en las actuales pilas o baterías recargables, tal como se describe más adelante. Existe otra modalidad de aleaciones multicomponentes, como son las comercialmente denominadas Kovar A, Fernico, Rodar y Aleaciones magnéticas de cobalto

El desarrollo experimental de aleaciones magnéticas con base de cobalto se remonta a 1920, siendo hoy materiales de uso habitual común. Sus características más destacadas son:• Coercitividad o capacidad magnética permanente más elevada que la de las aleaciones magnéticas basadas en sistemas Cr-W.
• Punto de Curie elevado, por lo que se mantiene su magnetismo inducido incluso a altas temperaturas.
• Resistividad eléctrica inferior a la del hierro, lo que posibilita saturación magnética comparativamente mayor en estas aleaciones.

El gran margen de variación para las distintas composiciones se aprecia en las siguientes cifras: 5% a 35% de cobalto, 1% a 5% de cromo, 2% a 0,5% de molibdeno, 1% de carbono y, eventualmente, hasta un 5% de wolframio y hierro. Su campo de aplicación comprende la fabricación de imanes de alta intensidad de campo y de media-baja intensidad de campo. En la manufactura de los primeros, con alto grado de imantación permanente mantenida a las distintas temperaturas de trabajo (imanes duros), se aplican técnicas de endurecimiento por precipitación o enfriamiento, estructuras ordenadas, trabajo en frío o pulvimetalurgia (imanes de dominio simple).

Pertenecen al grupo de las aleaciones magnéticas las designadas como Alnico, cuyo desarrollo se produjo tras la segunda Guerra Mundial; su nombre designa su composición básica: Al-Ni-Co-Fe (3 – 35 % de Co, 14 -30 % de Ni, 6 – 12 % de Al y Fe residual). También son aleaciones magnéticas otras con bases de Fe-Co-Mo, Co-Pt, Fe-Ni-Cu-Co y Fe-Ni-Co-Mn.

Las aleaciones magnéticas de media-baja intensidad (imanes blandos) tienen la característica de permanencia de un magnetismo remanente mínimo tras cesar el campo eléctrico inductor. Son, por ejemplo, las aleaciones basadas en sistemas Fe-Ni-Co o Fe- Co-V denominadas comercialmente Permendur, Supermendur, Hiperco o Perminvar, de uso especifico en pequeños motores, generadores, transformadores estáticos o cintas magnéticas de grabación de imagen y sonido.

EMPLEO DEL COBALTO EN TECNOLOGÍAS AVANZADAS

No faltan hoy en día fuentes de información sobre usos recientes del cobalto metal de alta pureza u otros productos de cobalto 14. Se señalan a continuación algunas de las aplicaciones relacionadas con sectores tecnológicos o industriales.

Radioisótopo cobalto 60
El isótopo artificial de cobalto más utilizado es el cobalto 60 (Co60), que se obtiene en reactores nucleares mediante un bombardeo de nucleidos estables de Co59 con neutrones de baja energía. El Co60 tiene, por su acción ionizante, un extenso campo de aplicaciones médicas y sanitarias que van desde el diagnóstico y terapéutica de enfermedades oncológicas (cobaltoterapia) a la desinfección de útiles quirúrgicos y residuos o efluentes hospitalarios. Por medio de cámaras de ionización provistas de fuentes radiactivas de Co60 se tratan alimentos perecederos tanto envasados (bolsas de polietileno, latas metálicas) como a granel, a fin de retrasar su degradación. La irradiación con Co60 tiene otras facetas, como la conservación de documentación histórica, objetos artísticos, piezas arqueológicas, etc., ya que son destruidos insectos, mohos, hongos u otros
microorganismos.

La industria de plásticos usa también fuentes de cobalto radiactivo, cuya acción permite reforzar los enlaces moleculares de compuestos polímeros empleados en algunos de sus productos. Los equipos de registro isotópico con fuente de irradiación de Co60 son empleados en la medición de volúmenes, por ejemplo de sólidos granulados, el flujo de líquidos o la determinación de defectos estructurales en tuberías, componentes de motores, piezas de turbinas, etc.

Baterías eléctricas ligeras con cátodo de cobalto

El metal cobalto de alta pureza es uno de los componentes contenidos en algunas de las baterías ligeras de tipo metal-hidruro o similares, cuyo uso es ya generalizado en telefonía, radiofonía, cámaras de vídeo o fotografía.

CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS DE BATERÍAS ELÉCTRICAS CON COBALTO

En las baterías fabricadas con esta tecnología el electrodo negativo (ánodo) suele ser de carbón o grafito, figurando el cobalto como componente del electrodo positivo (cátodo), lo que supone un mejor rendimiento eléctrico, comparable al que se consigue en las baterías con base de manganeso (las denominadas de espinelas sintéticas), de níquel o de tierras raras. El cobalto conjuntamente con aditivos químicos contribuye a equilibrar el balance crítico entre la densidad de energía máxima del acumulador y la mayor duración de su capacidad de almacenamiento y vida operativa. Las técnicas demanufactura de este tipo de baterías también hacen posible una tasa elevada de recuperación por reciclado de un componente de precio elevado como el cobalto.

Superaleaciones usadas en los sectores de la aeronáutica e industria aerospacial Diversas aplicaciones de las superaleaciones con cobalto se refieren a la construcción aeronáutica (componentes de fuselajes, motores de explosión o reactores), junto a otros componentes metálicos como níquel, wolframio, niobio, tántalo, etc. Actualmente se abren nuevas perspectivas de uso a este tipo de superaleaciones, así como para ciertas aleaciones cerámicas con cobalto, en el campo tecnológico de fabricación de vehículos aerospaciales o estaciones orbitales.

La aplicación de sales de cobalto en la decoloración del vidrio verde se justifica por su efecto de neutralización del exceso de hierro contenido. Pero en la industria del vidrio se aprovechan generalmente más por su acción colorante: el catión cobalto forma moléculas complejas (CoOx) en la masa de vidrio fundido, influyendo el porcentaje de moléculas respecto a masa total de vidrio sobre la capacidad filtrante que resulta. En el caso del vidrio coloreado común son requeridos unos 280 gr de cobalto por tonelada de vidrio fundido, y se llega hasta 4.5 kg de Co por tonelada de vidrio cuando se obtiene el vidrio de gafas protectoras o de mirillas para trabajos de soldadura y hornos de fundición.

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