Metales No Ferrosos y Sus Aleaciones

7/25/2019 Metales No Ferrosos y Sus Aleaciones

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METALES NO FERROSOS

y sus ALEACIONES: Transparencias de clase

Gerardo D. Lpez

Ciencia de los materiales

Ingeniera Industrial

Facultad Regional Santa Fe Universidad Tecnolgica Nacional

Revisin 0 agosto 2011


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Metales no ferrosos / Transparencias de clase rev. 0Ciencia de los materiales Ingeniera Industrial FRSF / UTN

Gerardo D. Lpez [email protected]

Conceptos generales

De todos los metales y aleaciones utilizados para la industria, aproximadamente el 20%corresponde a los no ferrosos. Muy pocos se emplean en estado de metal prcticamente puro.En este sentido se puede mencionar el cobre electroltico, cuya elevada conductividad lo hace

apto para prestaciones exigentes en la conduccin de electricidad. Tambin se encuentran enesta categora algunos metales nobles, como la plata y el oro, empleados en aplicaciones de

electrnica y otros como el platino, utilizados en la manufactura de catalizadores para laindustria qumica y petroqumica. Sin embargo, la mayor parte de los usos de metales noferrosos a escala industrial es bajo la forma de diferentes aleaciones. La variedad de

combinaciones que se pueden realizar permiten cubrir las prestaciones mecnicas y fsicas ylas propiedades qumicas necesarias para fabricar una gran variedad artculos tiles para la

industria y la sociedad. Algunas de las caractersticas distintivas de las aleaciones no ferrosasson la adecuada resistencia a distintos tipos de esfuerzos mecnicos, el buen comportamientofrente a la corrosin, la elevada conductividad elctrica y maquinabilidad.

La tabla 1 resume algunas propiedades de inters industrial para diferentes metales yaleaciones no ferrosas en comparacin con las ferrosas tpicas (fundiciones y aceros) paramostrar el amplio rango de variacin en la magnitud de las caractersticas listadas, lo que

permite fundamentar criterios de seleccin para cada tipo de requerimiento esperado enservicio.

Tabla 1. Propiedades tpicas de metales y aleaciones

Metal / aleacinResistencia a la

traccin - MPa

Temperatura de

fusin - C

Dureza

Brinell

Densidad

kg/m3

Aluminio 83-310 660 30-100 2,643

Latn 120-180 870 40-80 8,570

Bronce 130-200 1040 70-130 8,314

Cobre 345-689 1080 50-100 8,906

Plomo 18-23 325 3.2-4.5 11,309

Magnesio 83-345 650 30-60 1,746

Nquel 414-1103 1450 90-250 8,730

Zinc 48-90 785 80-100 7,144

Estao 19-25 390 5-12 7,208Titanio 552-1034 1800 158-266 4,517

Fundicin gris 110-207 1370 100-150 7,209

Acero 276-2070 1425 110-500 7,769

Metalurgia

Los procesos bsicos para la produccin de los metales no ferrosos son similares a losdescriptos para la metalurgia del hierro, e incluyen:


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1. Extraccin2. Concentracin3. Fusin4. Afinacin5. Aleacin

Cada uno de estos procesos adopta diferentes formas tecnolgicas segn las caractersticas

distintivas de cada metal y en algunos casos no se aplica la totalidad de las etapasmencionadas. Por ejemplo, el mercurio no requiere fusin porque ya es lquido a temperaturaambiente y los metales nobles muchas veces se emplean en estado puro, no aleado. A

continuacin se describen en forma breve los procesos de la metalurgia de los metales noferrosos.

Extraccin. Los metales no ferrosos provienen de minerales que se pueden encontrar en lasuperficie de la tierra o bien en yacimientos subterrneos. En ambos casos se handesarrollado tcnicas de explotacin eficientes y rentables.

Concentracin. Los metales no ferrosos raramente se encuentran en estado puro y encantidades comerciales en los minerales de los que se obtienen. Por esta razn, se aplican

procedimientos fsicos y mecnicos para separar el mineral de inters de la ganga. Entre los

procesos de preparacin ms utilizados se menciona la pulverizacin o molienda del mineralpara luego mezclarlo con agua y un aceite. Esta mezcla o suspensin se somete a algn tipo

de agitacin enrgica para promover el formado de una espuma en la que los mineralesmetlicos quedan suspendidos mientras que otros materiales no deseables, como arena, roca,etc., sedimentan.

Fusin. Los hornos utilizados para la fusin de los minerales de metales no ferrosos incluyenun tipo de alto horno de menores dimensiones que los de arrabio y los hornos de reverbero, esdecir aquellos en los que se aplica una llama directa sobre la carga. De todas maneras sereitera que no todos los metales no ferrosos necesitan ser fundidos para ser procesados. En loshornos para la produccin de metales no ferrosos usualmente existen sistemas para el control

de las emisiones de polvo. Esto se debe tanto a una medida de control de la contaminacinambiental como al aprovechamiento de metal adicional que est contenido en los polvos

cuando el mineral se pulverizado a un nivel muy fino.

Afinacin. Para lograr las caractersticas de calidad y pureza necesarias en los metales noferrosos se pueden utilizar diferentes procesos. En la manufactura de cobre de alta pureza, por

ejemplo, se usan cubas electrolticas en las cuales el material adquiere niveles de calidadmuy altos.

Aleacin. Para cumplir adecuadamente con los diferentes requerimientos del servicio, esusual ajustar la composicin mediante el mezclado de diferentes metales puros de manera delograr una solucin slida o aleacin con las caractersticas buscadas.


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METALES NO FERROSOSPropiedades fsicas

Excepto el mercurio(lquido), son slidos a la temperaturaambiente .

Todos tienen brillo metlicoy un color casi siempreblanco grisceo, salvo en los casos del cobre (ro jo) y el

oro (amaril lo). Son de densidadmuy variable . El sodio y elpotasio flotan en el agua mientras que otros poseen

densidades muy elevadas. El magnesioy aluminioson losms ligeros (menos densos) de los metales utilizados en la

industria

Algunosson muy maleables(se pueden cortar en finsimaslminas), como el oro, el estao y el aluminio. Otros, como

el cobre, son tenaceso resistentes a la rotura portraccin

Tenacidad = capacidad de absorber energa en la zonaplstica

Temperatura de fusin de algunos metales no ferrososIridio 2350 C Plata 962 CPlatino 1755 C Cinc 419 CHierro 1510 C Plomo 327 CCobre 1085 C Estao 232 C

Oro 1064 C Mercurio 39 C

Densidad de algunos metalesOsmio 22.48 Cobre 8.7Platino 21.5 Hierro 7.8Oro 19.4 Estao 7.3Mercurio 13.6 Cinc 6.9Plomo 11.5 Aluminio 2.6Plata 10.4 Litio 0.53


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Mdulo de Tenacidad=t r abaj orealizado sobre unvolumen unidad de un material aumentando gradualmenteuna fuerza de traccin simple desde cero hasta el valor

que produce la rotura =r eatotal bajo la cur va t ensin-def or macindesde el origen hasta la rotura

Propiedades qumicas

Los metales reaccionan con mas o menos facilidadcon el medio que les rodea, segn sean maso

menoselectropositivos. El aire, el agua y otroselementos qumicos reaccionan con ellos formandocompuestos no metlicos (corrosin) afectando sus

propiedades fsica y mecnicas

Estado natural de los metales

La ubicacin de los metales en la serieelectromotriz o serie galvnicadetermina el

estado en que se los encuentra en la naturaleza.

Esta ubicacin relativa se determinacuantitativamentemidiendo el potencial de xido

reduccin de cada metal disuelto en una solucinnormalizada de sus iones, respecto de un electrodo

de referencia (usualmente el electrodo normal dehidrgeno).

Si este potencial (EH) es positivoel metal escatdico frente al hidrgeno y mientras mayor sea

la diferencia de potencial mas noble resulta.


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Inversamente si el potencial es negativosonandicos y mientras mayor sea el valor absoluto de

este potencial negativo menos nobles o ms

activos son.Serie Galvnica o de Fuerza Electromotriz

METAL EH (voltios)

+ nobles

Au + 1.7

O2 + 1.23

Pt + 1.20

Ag + 0.80Cu + 0.34

H2 0.00 (por definicin)

Ni - 0.13

Fe - 0.44

Cr - 0.70

Zn - 0.76

Al - 1.66

+ activos

REPRESENTACIN GRFICA


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Serie galvnica en agua de mar


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En la naturaleza:

Los metales mas nobleso catdicos se encuentranlibres(no combinados qumicamente con otros

elementos).Ejemplos: los metales preciosos(Ag, Au, Pt, Os,

Ir, Ru, Rh, Pd) y a veces el cobre.

Los metales con potenciales cercanos al EH(por

encima del de hidrgeno o inmediatamente debajo)

-por ejemplo el cobre- forman compuestosdiversos (minerales), con predominio de xidos

(anhidros o hidratados), sulfuros, carbonatos ya veces, cloruros y sulfatos.

Mineral=sustancia natural, de composicin

constante representable con una formula qumica.

Generalmente, adems de su nombre cientfico,

recibe nombres vulgares.

Ejemplos:galena= sulfuro de plomo = SPbhematita= xido frrico= Fe2O3

En una explotacin minera:

Mena:compuestos de los metales insolubles en lacorteza terrestre

Ganga:arena, tierra, barro, etc., que acompaa a

la mena.


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METALURGIA

Es la extraccin comercial de los metales a partir de susminerales y su preparacin para usos posteriores. Constade varias etapas:

1. Obtencin del mineral por minera (especfica paracada tipo de compuesto)

2.Pretratamiento del mineral3.Reduccin del metal al estado libre4.Refinado o purificacin del metal

5.Cuando se requiere, preparacin de aleaciones

PRETRATAMIENTO DE LOS MINERALES

Concentracin del mismo, por eliminacin de la ganga, pordistintas tcnicas:Pulverizacinadecuadaseguida deseparacin de ciclnFlotacin: aplicable a sustancias que no se "mojan" por

aguaDescarbonatacin/ deshidratacin: convertir carbonatoso hidrxidos a otros compuestos ms fcilmentereduciblesTostacin: conversin de los sulfuros en xidos, porcalentamiento en aire

REDUCCIN A METALES LIBRES

Mtodo: depende de la naturaleza del anin unido al metal.

Cuanto ms fuerte sea el enlace entre el anin y el catin metlico, ms energase requiere y ms costoso el proceso.

Ejemplos:Mercurio: puede obtenerse directamente en estado libre por tostacin de susulfuro (cinabrio).Metales en forma de xidos: se reducen al estado libre por combinacin concarbono, procurando evitar la formacin de carburos estables

Metales muy activos (por ejemplosodio, aluminio): se obtienen por reduccin

electroqumica de sus sales anhidras en estado fundido


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REFINADO O PURIFICACIN DE METALES

Destilacin: cuando el metal es ms voltil que susimpurezas (Hg, Zn)Electroqumica: aplicada a escala industrial para Cu, Ag,Au, Al

METALURGIA DE ALGUNOS METALES ESPECFICOS

ALUMINIO

Se obtiene por electrlisis en ausencia de aguamediante el proceso Hall. La bauxita(Al2O3.xH2O)molida con NaOH concentrado se convierte en

Na[Al(OH)4] soluble. La acidificacin con CO2(gas)

precipita bauxita pura que al deshidratarse forma

Al2O3. Seguidamente se agrega un fundente(criolita = Na3[AlF6]) y la electrolisis se lleva a

cabo a 1000C con electrodos de carbono.Alternativamente y con menor consumo de energa

se hace reaccionar la bauxita con Cl2, obteniendo

AlCl3, el cual en estado fundido, se electroliza para

obtener Al y Cl2.

COBRE

Se utiliza especialmente en aleaciones como

bronces (Cu+Sn) y latones (Cu+Zn).

Sus minerales ms importantes son la calcopirita[CuFeS2], que es el mas usualmente utilizado, la

azurita [Cu3(CO3)2(OH)2] y la malaquita

[Cu2CO3(OH)2]


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El mineral se tuestapara eliminar impurezasvoltiles y convertir el sulfuro en xido y

posteriormente se mezcla con arena (SiO2), piedra

caliza (CaCO3) y mineral sin tostar, La mezcla secalienta a 1100C. Se forma Cu2S, un "vidrio" que

disuelve el hierro que estaba presente en el

mineral original, y una escorita menos densa que el

Cu2S. Posteriormente, por calentamiento en aire, elCu2S se descompone en Cu metlico, que se

purifica por electrolisis, y SO2.

MAGNESIO

La principal fuente es el agua de mar (0,13% Mg).Se obtiene por electrlisis de MgCl2fundido en

atmsfera inerte, con ctodo de acero y nodo de

grafito.

ORO

Habitualmente se encuentra en estado nativo. Sepuede separar de la arena en bandejas en las

cuales la arena y la grava (que contiene Au) seagitan en agua, derramndose las partculas menosdensas. El material preconcentrado se hace pasar

luego por una mesa de agitacin ligeramente

inclinada, con "barreras" en el fondo, de modo que

las partculas de Au quedan retenidas. El Au secombina con Hg formando una amalgama y

posteriormente se retira el Hg por destilacin.


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Tambin se puede obtener oro a partir de losbarros andicosprovenientes de la purificacin

electroqumica del Cu.Otra opcin rentable es el procedimiento del

cianuro, burbujeando aire a travs de una solucinde NaCN que contiene el mineral de Au en

suspensin.

ALEACIONESNO-FERROSASSe preparan usualmente por fusin conjunta de suscomponentes, aunque algunas tambin se pueden elaborarmediante otros procedimientosEjemplo: el cobre y el zinc se depositan simultneamentesobre el ctodo cuando una corriente elctrica circula atravs de una solucin con sulfatos cpricos y de zinc.

Muchas aleaciones contienen elementos no metlicos: ascomo el carbono era el componente esencial en los aceros,el fsforo otorga caractersticas especiales a los broncesfosforosos.

Las aleaciones son slidos con aspecto y caractersticas

metlicas, salvo las amalgamas, en las que interviene elmercurio, que son semislidas.Se distinguen aleaciones moldeables, que no se deformansuficientemente y aleaciones hechurables, en funcin dela facilidad de deformacin plstica.


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Cobre y sus aleaciones

El latn es la aleacin ms comn de cobre. El

soluto es el Zn. Hasta 35% Zn la fase establetiene estructura FCC y es blanda, dctil y fcil de

hechurar en fro. Al aumentar el contenido en Zn

se forma una fase BCC ms dura y resistente. Seutiliza en bisutera, municiones, radiadores de

automvil, instrumentos musicales y monedas.Los broncesson aleaciones de Cu con Sn, Al, Si yNi. Son ms resistentes que los latones a la

corrosin y a la traccin.Los cobres al beriloson de aplicacin reciente. Semoldean y hechuran en caliente y en fro y son muyresistentes a la corrosin y al desgaste en

presencia de lubricantes. Son caros y se utilizan en

cojinetes para turbinas de turborreactores,resortes, instrumentos quirrgicos y dentales.

Aluminio y sus aleaciones

Tienen baja densidad, elevada conductividad

elctrica y trmica, resistencia a la corrosin enalgunos medios, incluido el atmosfrico. Son muy

dctiles. El Al se suele alear con Cu, Si, Mn, Zn.

Las aleaciones con otros metales de baja densidad

(Mg, Ti) tienen inters en transporte, debido alahorro en combustible.


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Magnesio y sus aleacionesEs menos denso (1,7 g/cm3) que el Al por lo que susaleaciones se utilizan en aeronutica. El conformado se

realiza a 200-350C. Qumicamente sus aleaciones sonmuy inestables con alta susceptibilidad a la corrosin. Lasaleaciones contienen habitualmente Al, Zn, Mn y algunastierras raras. Se utilizan para aviones, misiles, maletas yruedas de automvil.

Titanio y sus aleaciones

Son materiales de ingeniera relativamente nuevos, conelevada resistencia mecnica. Son muy poco susceptibles ala corrosin muy elevada a temperatura ambiente, tantoen ambientes marinos como industriales. Se utilizan enestructuras de aviones, vehculos espaciales, as comopara aplicaciones especiales en las industrias qumicas ypetroqumicas.

Metales refractariosSe caracterizan por su alta dureza y sus puntos de fusinmuy elevados, desde el Nb (2468C), pasando por el Mo yel Ta, hasta el W (3410C).

SuperaleacionesSon los materiales ms utilizados en componentesde turbinas especiales, expuestas a medios

oxidantes, a elevada temperatura durante periodos

de tiempo largos, y en reactores nucleares y

equipos petroqumicos. Se clasifican de acuerdocon el componente principal, que suele ser Co, Ni,

Fe., e incluyen como aleantes metales refractarios,

como Nb, Mo, W, Ta, Cr.


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El Zinc Como Metal Protector

Dos invenciones ya antiguas, han sido la base de un procedimiento de proteccindel acero frente a la corrosin de notable eficacia, cuya utilizacin y tecnologa noha dejado de desarrollarse en el transcurso de los aos. Fue en 1742 cuando el

qumico francs Malouin demostr que la inmersin del acero en zinc fundidoproporcionaba un recubrimiento protector de la corrosinde gran eficacia.Los posteriores desarrollos Stanislaus Sorel y la puesta a punto en 1836 de unprocedimiento econmico para decapar el acero, abrieron la puerta la utilizacinindustrial de este nuevo procedimiento de proteccin del acero:La galvanizacin en caliente.Fue el propio Sorel quien puso de manifiesto el efecto de proteccin galvnica, queproporcionan estos recubrimientos de zinc.Haba descubierto laproteccin catdica o de sacrificio.Por este motivo emple el trmino galvanisationen su patente francesa presentadaen Julio de 1837.

Hoy da sabemos que la corrosin de la mayora de los metales en el medioambiente es un fenmeno de naturaleza electroqumica, que necesita de humedad yoxgeno para que pueda desarrollarse.Los metales situados por encima del hierro en la tabla de potenciales galvnicos,como es el caso del zinc, se denominan andicoscon respecto al hierro.sto significa que puestos en contacto con el hierro, constiuirn el nodo de la pilade corrosin que puede formarse en presencia de humedad y oxgeno y ser eneste anodo en donde se experimente la oxidacin, mientras que el hierro, queconstituir la parte catdica de dicha pila, permanecer inalterado.Este es el fundamento de la Proteccin Catdica o de Sacrificio.Los recubrimientos de zinc ejercen una activa proteccin catdica sobre las piezas yelementos de hierro y acero sobre los que se aplican, pudindose asegurar quemientras exista zinc remanente sobre la superficie de dichas piezas el acero basede las mismas permanecer inalterado.Por otra parte, los recubrimientos de zinc proporcionan al acero una proteccin detipo barrera muy eficaz, debido a que con la humedad y el anhdrido carbnico delaire el zinc forma sobre su superficie una capa de pasivacinautoprotectora decarbonatos bsicos de zinc muy insoluble, compacta y adherente y que es la causade que la velocidad de corrosin del zinc sea de 10 a 30 veces inferior a la delacero.Debido al efecto de proteccin catdica, en las piezas de acero protegidas con

recubrimientos de zinc, no se oxidan las pequeas zonas desnudas delrecubrimiento que puedan producirse como consecuencia de golpes o rozadurasdurante el transporte o montaje de las piezas (ver el grfico sobre estas lneas).Estas zonas desnudas s son motivo de preocupacin y deben restaurarse en elcaso de los recubrimientos que protegen nicamente por efecto barrera, como es elcaso de la mayora de las pinturas.Mayor atencin debe prestarse todava a los defectos que se produzcan en losrecubrimientos de metales ms nobles que el acero (situados por debajo del hierroen la serie galvnica de los metales), puesto que en las zonas desnudas de estosrecubrimientos se focalizar la corrosin del acero con una intensidad mucho mayorque si ste estuviera sin proteger, tomando frecuentemente en este caso forma de

corrosinpor picaduras que pueden afectar a la integridad estructural del material.Ver grficos siguientes:


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Los metales como el zinc se denominanandicos con respecto al hierro. stosignifica que puestos en contacto con elhierro, construirn el nodo de la pila decorrosin que puede formarse en

presencia de humedad y oxgeno y seren este nodo el que sea sujeto deoxidacin, mientras que el hierro, queconstituir la parte catdica de dichapila, permanecer inalterado. Este es elfundamento de la Proteccin Catdicao de Sacrificio y actamientras existazinc remanente sobre la superficie.

Los recubrimientos de zincproporcionan al acero una proteccin detipo barrera muy eficaz, debido a quecon la humedad y el anhdridocarbnico del aire el zinc forma sobre susuperficie una capa de pasivacinautoprotectora de carbonatos bsicosde zinc muy insoluble, compacta yadherente y que es la causa de que lavelocidad de corrosin del zinc sea de10 a 30 veces inferior a la del acero.

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