ALEACIONES QUMICASANLISIS DE RESULTADOS

1. Qu es una aleacin? Una aleacin es una sustancia compuesta por ms de un elemento qumico, del cual al menos uno de ellos es un metal. Y se define un sistema de aleacin como aquel que contiene todas las aleaciones que pueden formarse con varios elementos combinados en cualquier proporcin posible. Cuando el sistema lo componen dos elementos se denomina sistema de aleacin binario, si hay tres sistemas de aleacin ternario, etc. De aqu se deduce fcilmente que el nmero de combinaciones aumenta con el nmero de elementos de un sistema, y dado a que las aleaciones comerciales poseen un gran nmero de elementos, el nmero de aleaciones posibles es casi infinito. 1.2. Clasificacin de las aleaciones. Las aleaciones se clasifican segn su estructura en homogneas y mezclas. Se dice que una aleacin es homognea cuando est formada por una nica fase (entendida esta como toda parte homognea de un sistema diferenciable fsicamente de las dems). Las aleaciones sern mezclas cuando estn constituidas por ms de una fase. Toda parte visible al microscopio y que fsicamente sea distinta de las dems se considera una fase. En el caso de los elementos puros las fases coinciden con los distintos estados, as podemos hablar de fase slida, lquida y gaseosa e incluso los distintos altropos son fases distintas pues poseen distinta estructura y son fsicamente diferenciables. En el estado slido pueden presentarse tres fases distintas: metales puros, fases de aleacin intermedias o compuestos y soluciones slidas. Si una aleacin es homognea slo puede ser o una solucin slida o un compuesto qumico, mientras que si es una mezcla puede estar formada por cualquier combinacin de las tres fases que pueden darse en estado slido, por ejemplo, puede estar formada por dos soluciones slidas o por una solucin slida y un metal puro, o por una solucin slida y un compuesto. 1.3. Metales puros. La principal caracterstica de los metales puros es el de poseer un punto de solidificacin o fusin fijo. Esto es as si el enfriamiento se debe realizar muy lentamente para que las transformaciones tengan tiempo de realizarse.

1.4. Fases de aleacin intermedias o compuestos qumicos. Las aleaciones intermedias o compuestos qumicos son un tipo especial de soluciones slidas, y para su estudio vamos a comenzar recordando algunos principios de los compuestos qumicos en general. Los compuestos qumicos en general estn formados por elementos de valencia opuestas, cuya proporcin viene determinada por la frmula qumica, ejemplo de ellos pueden ser el agua y el cloruro sdico. La unin entre ellos se produce por enlaces fuertes por lo que es difcil la separacin de los tomos que los constituyen. Las propiedades del compuesto qumico son distintas a las de los tomos por separado, as si tomamos el caso del cloruro sdico (sal comn), mientras que el cloro es un gas muy reactivo y nocivo, y el sodio es un metal muy reactivo que se oxida fcilmente, el cloruro sdico es un compuesto inocuo de gran importancia. Luego, como puede verse, al combinarse los elementos estos dejan de existir como elementos individuales, y dan origen al compuesto qumico que tiene unas caractersticas fsicas y mecnicas propias y unas propiedades qumicas distintas. La mayora de los compuestos poseen tambin un punto de solidificacin definido, dentro de unos estrechos mrgenes de temperaturas, igual que los metales puros. Luego la curva de enfriamiento sera la misma que vimos anteriormente, y se dice que sta curva representa una fase de fusin congruente. Las fases de aleacin intermedias, poseen una composicin comprendida entre los dos metales, y una estructura cristalina normalmente distinta a la de ambos. Las fases de aleacin intermedias que pueden darse son: compuestos intermetlicos o de valencia, compuestos intersticiales y compuestos electrnicos.1.4.1. Compuestos intermetlicos o de valencia Estn formados generalmente por metales qumicamente distintos, y su combinacin obedece a las reglas de la valencia qumica. Presentan enlaces fuertes (inicos coovalentes) y sus propiedades son normalmente similares a las de los materiales no metlicos, como es poca ductilidad y conductividad elctrica baja, cristalizando en estructuras complejas. Algunos compuestos intermetlicos son: CaSn, Mg2Pb, Mg2Sn y Cu2Se. En la figura 1 del anexo puede observarse el diagrama de fases binario Mg-Sn, presentando ste al 70.6% Sn el compuesto intermetlico Mg2Sn, denominado . Igualmente en la figura 2 se observa el diagrama Ca-Sn, que presenta un compuesto intermetlico a 25,24% Ca, que corresponde a CaSn, y aparece representado en el diagrama como .

1.4.2. Compuestos intersticiales. En este grupo se encuentran los compuestos que forman los metales de transicin (Sc, Ti, Ta, W, Fe), con elementos como el hidrgeno, oxgeno, carbono, boro y nitrgeno. Como la palabra indica los tomos de estos ltimos elementos, que son de pequeo tamao se sitan en los huecos o intersticios de la red cristalina. stos tambin pueden formar soluciones slidas intersticiales, que veremos posteriormente, y cuya diferencia con ste grupo es que los solutos estn en mucha menor proporcin. Los compuestos intersticiales tienen un carcter netamente metlico, una composicin variable dentro de unos estrechos mrgenes, puntos de fusin elevados y presentan una gran dureza. Dentro de ste grupo tenemos: TiC, TaC, Fe2N, Fe3C, W2C, CrN y TiH. Como veremos ms adelante muchos de stos compuestos mejoran las propiedades de los aceros de temple y de las herramientas de carburo cementadas.

1.4.3. Compuestos electrnicos. Examinando los diagramas de fases que forman las aleaciones de cobre, oro, plata, hierro y nquel, con algunos metales como el cadmio, magnesio, estao, zinc y aluminio, se ve una alta semejanza entre ellos. En todos se dan un cierto nmero de fases intermedias de anloga estructura cristalina. Fue Hume-Rothery el primero que observ que estas fases intermedias aparecan a una composicin fija o muy prxima a la composicin cuyo valor responde a una relacin determinada entre el nmero de electrones de valencia y el de tomos que constituye la molcula. Debido a esto se les conoce como compuestos electrnicos.

METODOLOGAS

Mtodo de obtencin. Proceso siderrgico.

1Aleaciones Qumicas

Se conoce como proceso siderrgico al conjunto de operaciones que es preciso realizar para llegar a obtener un metal frrico de unas determinadas caractersticas. El proceso siderrgico engloba desde la extraccin del mineral de hierro en las minas hasta la obtencin del producto final.

El Fe es un metal que forma parte de la corteza terrestre (5 %); nunca se presenta en estado puro, sino combinado formando xidos, hidrxidos, carbonatos y sulfuros. Segn el contenido en hierro se distinguen distintos tipos:

El mineral que se extrae de la mina contiene una parte con el componente de hierro, llamada mena (elementos aprovechables), y otra parte compuesta por sustancias no ferrosas llamada ganga (elementos no aprovechables) tales como roca, slice, Los pasos a seguir en todo proceso son: 1. Separar la mena de la ganga utilizando sus propiedades fsicas: densidad, comportamiento magntico,... 2. Obtener el elemento que nos interesa, Fe, por medio de una reaccin qumica llamada reduccin del hierro, que consiste en aadir monxido de carbono tantas veces como sea necesario hasta obtener hierro puro. C + O2 CO3Fe2O3 + CO 2Fe3O4 + CO2Fe3O4 + CO 3FeO + CO2FeO + CO Fe + CO2 Sumando todas las reacciones, se obtiene que Fe2O3 + 3CO 2Fe + 3CO2 Esta reaccin ocurre en el alto horno, que es un horno especial en el que tiene lugar la fusin de los minerales de hierro y la transformacin qumica en un metal rico en hierro llamado arrabio. El alto horno est formado por dos troncos de cono colocados unos sobre otro y unidos por su parte ms ancha. La altura vara entre unos 30 y 70 m y su dimetro entre 4 y 12 m. Su capacidad de produccin vara entre 500 y 1500 toneladas diarias.La pared interior est recubierta de ladrillo refractario para mantener y soportar las altas temperaturas, y la externa de acero. Entre ambas paredes existen canales de refrigeracin. La parte superior, el tragante, est formada por dos tolvas (depsitos) en forma de campana con dispositivo de apertura y cierre para evitar que se escapen los gases en el momento de la carga del material. El material se introduce por capas de la siguiente forma: - Una capa de minerales de Fe (magnetita, limonita, siderita o hematites) previamente lavado y desmenuzado (2 Tm) - Una capa de carbn de coque (combustible) para la fusin y reduccin del material (1 Tm) - Una capa de material fundente (roca caliza) que se combina con las impurezas, ganga y cenizas, que da lugar a la escoria. (0.5 Tm) Esta combinacin da lugar a la obtencin de un material poroso llamado snter En la parte alta, llamada cuba, se produce el primer calentamiento, en el que se elimina la humedad y se calcina la caliza (CO2 + caliza) ayudada por la inyeccin de aire caliente insuflada por las toberas de la parte inferior. El CO resultante de la combustin del coque reduce el Fe, obtenindose una masa esponjosa de Fe metlico. A continuacin, en el vientre, que es la parte ms ancha, se funden el Fe y la escoria. Por las toberas, conducto que permite la entrada de aire a altas P y velocidades en torno a 200m/s, entra el aire necesario para la combustin (1350C). En algunos casos se pueden alcanzar temperaturas del orden de los 1800C, lo que supone un ahorro del carbn de coque. En la parte inferior, llamada etalaje, se depositan el Fe y la escoria fundidos, de manera que al ser sta ltima menos densa que el Fe flota sobre l y lo protege de la oxidacin. La escoria y el Fe se extraen a travs de dos orificios en la parte inferior, llamados bigotera y piquera respectivamente. As, los productos obtenidos del alto horno son: Escoria.- Es un residuo metalrgico que a veces adquiere la categora de subproducto, ya que se puede utilizar como material de construccin, bloques o como aislante de la humedad y en la fabricacin de cemento y vidrio. La escoria, como se coment anteriormente, se recoge por la parte inferior del alto horno por la piquera de escoria (bigotera). Fundicin, hierro colado o arrabio.- Es el producto propiamente aprovechable del alto horno y est constituido por hierro con un contenido en carbono que vara entre el 2% y el 7%. Se presenta en estado lquido a 1800 C. En ocasiones, a este metal se le denomina hierro de primera fusin. Tambin se obtienen humos y gases residuales que se producen como consecuencia de la combustin del coque y de los gases producidos en la reduccin qumica del mineral de hierro que, en un elevado porcentaje, se recogen en un colector situado en la parte superior del alto horno. Estos gases son, principalmente, dixido de carbono, monxido de carbono y xidos de azufre.

REFERENCIAS

Aranda, B. (2013). Beatriz Aranda. Recuperado el 16 de Febrero de 2014, de http://www.uhu.es/beatriz.aranda/apuntesciemat/TEMA%2062.pdfHervs, I. V. (2010). Materiales de Uso Tcnico. Recuperado el 16 de Febrero de 2014, de http://iesvillalbahervastecnologia.files.wordpress.com/2010/01/materiales_metales.pdf