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Ing. Waldo Urribarrí
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Estado metálico - Aleaciones - Metalurgia general
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Introducción
Toda la materia está formada a partir de unidades elementales que existen
en un número limitado. Estas unidades no pueden ser divididas en partes
más sencillas mediante los métodos físicos o químicos usuales. En la
naturaleza existe 92 elementos químicos, aunque los físicos han creado 20
elementos más mediante procesos que implican reacciones nucleares. Los
elementos químicos fueron clasificados por primera vez por Mendelejev
siguiendo unas pautas determinadas. Estos elementos están divididos en
: , ,elementos metálicos. De los 112 elementos que se conocen, sólo 25 son no
metálicos. Los metales en su mayoría provienen de los minerales.
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Introducción (cont.)
Los metales más abundantes en la corteza terrestre que existen en forma
mineral son: aluminio, hierro, calcio, magnesio, sodio, potasio, titanio, y
manganeso. El agua de mar es una rica fuente de iones metálicos como
Na+, Mg+ y Ca+. La obtención del elemento puro como el hierro, aluminio,entre otros se logra mediante procesos metalúrgicos.
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¿Qué es un metal?
Son los elementos químicos caracterizados por ser buenos conductores del
calor y la electricidad, poseen alta densidad, y son sólidos en temperaturas
normales (excepto el mercurio); sus sales forman iones electropositivos
(cationes) en disolución. La mayor parte de los elementos metálicosexhiben el lustre brillante que asociamos a los metales. Los metales
conducen el calor y la electricidad, son maleables (se pueden golpear para
formar láminas delgadas) y dúctiles (se pueden estirar para formar
.mercurio (punto de fusión = ‐39 °C), que es un líquido. Dos metales se
funden ligeramente arriba de la temperatura ambiente: el cesio a 28.4 °C y
°. . ,
temperaturas muy altas. Por ejemplo, el cromo se funde a 1900 °C.
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¿Qué es un metal?
Los metales tienden a tener energías de ionización bajas y por tanto se
oxidan (pierden electrones) cuando sufren reacciones químicas. Los
metales comunes tienen una relativa facilidad de oxidación. Muchos
metales se oxidan con diversas sustancias comunes, incluido el 02 y los.
Se utilizan con fines estructurales, fabricación de recipientes, conducción
del calor y la electricidad.
hierro, calcio, magnesio, sodio, potasio, cobre, manganeso, cinc, cobalto,
molibdeno, cromo, estaño, vanadio, níquel, entre otros.
El conce to de metal refiere tanto a elementos uros así como aleaciones
con características metálicas, como el acero y el bronce.
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Enlace metálico
Las características de los metales vienen dadas por el tipo de enlace
químico de sus átomos, que en el caso de los metales se le denomina
enlace metálico. Un enlace metálico es un enlace químico que mantiene
unidos los átomos (unión entre cationes y los electrones de valencia) de los.
otros, lo que produce estructuras muy compactas. Es un enlace fuerte,
primario, que se forma entre elementos de la misma especie. Los átomos,
,
nubes electrónicas empaquetándose en las tres dimensiones, por lo que
quedan rodeados de tales nubes. Estos electrones libres son los
res onsables de las rinci ales características de los metales.
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Enlace metálico (cont.)
Enlace metálico del cobre Mar de Drude o Mar de electrones
Otros enlaces químicos: iónico y covalente
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Enlace metálico (cont.)
Un primer intento para explicar el enlace metálico consistió en considerar
un modelo en el cual los electrones de valencia de cada metal se podían
mover libremente en la red cristalina (teoría de Drude‐Lorentz); de esta
forma, el retículo metálico se considera constituido por un conjunto de
electrones (los de valencia), en lugar de estar formados por átomos
neutros.
cationes metálicos distribuidos regularmente e inmersos en un “mar de
electrones” de valencia des localizados, actuando como un aglutinante
electrostático ue mantiene unidos a los cationes metálicos.
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¿Qué es una aleación?
Una aleación es la mezcla de dos o más elementos, siendo uno de ellos un
metal. Es una mezcla sólida homogénea de dos o más metales, o de uno o
más metales con algunos elementos no metálicos. Se puede observar que
las aleaciones están constituidas por elementos metálicos en estado, , , , .
contener algunos elementos no metálicos por ejemplo P, C, Si, S, As. Para
su fabricación en general se mezclan los elementos llevándolos a
.
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¿Qué es una aleación?
El objetivo o los objetivos de las aleaciones es modificar una o varias
propiedades del metal solvente o crear nuevas propiedades en los metales
resultantes.
Las aleaciones presentan brillo metálico y alta conductividad eléctrica y, .
propiedades físicas y químicas son, en general, similares a la de los
metales, sin embargo las propiedades mecánicas tales como dureza,
, , . ,
despiertan estos materiales, que pueden tener los componentes de forma
aislada.
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¿Cómo se clasifican las aleaciones?
Existen tres clasificaciones comunes de aleaciones:
1. Composición: Esta clasificación tiene en cuenta cual es el elemento que
se halla en mayor proporción (aleaciones ferrosas, aleaciones base
cobre, etc.). Cuando los elemento que se mezclan no tienen carácter,
únicamente se mezclan metales, los mismos pueden aparecer en
proporciones similares al metal base.
.
aleaciones binarias como el cuproníquel, ternarias (alpaca), pero
también hay aleaciones en las que intervienen un elevado número de
elementos uímicos si bien en e ueñas cantidades.
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¿Cómo se clasifican las aleaciones?
Existen tres clasificaciones comunes de aleaciones:
3. Estructura:
a) Sustitucional: son aquellas aleaciones en las que los átomos del
elemento en menor proporción (metal soluto) ocupan o sustituyen
proporción (metal solvente). Un ejemplo de aleación sustitucional es la
aleación oro‐cobre.
" ”.
átomos de soluto se colocan en los espacios intersticiales del metal
(disolvente). Es condición necesaria que el átomo de soluto sea
suficientemente e ueño ara ue al ocu ar su osición no altere
notablemente la energía del cristal.
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¿Cómo se clasifican las aleaciones?
Existen tres clasificaciones comunes de aleaciones:
3. Estructura:
En general, la solubilidad o espacio intersticial en los metales es muy
limitada dado que los átomos metálicos se disponen en estructuras.
Un ejemplo de aleación intersticial es el carbono añadido al hierro para
la fabricación de aceros.
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¿Cómo se clasifican las aleaciones?
Existen tres clasificaciones comunes de aleaciones:
3. Estructura:
En general, la solubilidad o espacio intersticial en los metales es muy
limitada dado que los átomos metálicos se disponen en estructuras.
Un ejemplo de aleación intersticial es el carbono añadido al hierro para
la fabricación de aceros.
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Aleaciones más comunes
• Acero: es una aleación de hierro y carbono, donde el carbono no supera
el 2,1% en peso de la composición de la aleación, alcanzando
normalmente porcentajes entre el 0,2% y el 0,3%. Porcentajes mayores
que el 2,0% de carbono dan lugar a las fundiciones, aleaciones que al ser, , .
Existen aceros especiales donde se adicionan otros elementos para
mejorar propiedades específicas de los mismos.
•
constituye su base y el segundo aparece en una proporción de entre el 3
y el 20%. Las aleaciones constituidas por cobre y zinc se denominan
ro iamente latón sin embar o dado ue en la actualidad el cobre se
suele alear con el estaño y el zinc al mismo tiempo, en el lenguaje no
especializado la diferencia entre bronce y latón es bastante imprecisa.
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Conceptos generales de metalurgia
La metalurgia es la ciencia y técnica de la obtención y tratamiento de los
metales desde minerales metálicos, hasta los no metálicos. También
estudia la producción de aleaciones, el control de calidad de los procesos
vinculados, así como su control contra la corrosión. Además de.
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Conceptos generales de metalurgia (cont.)
Procesos metalúrgicos
Los procesos metalúrgicos comprenden las siguientes fases:
• Obtención del metal a partir del mineral que lo contiene en estado
natural., :
que quedan en el metal.
• Elaboración de aleaciones.
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Conceptos generales de metalurgia (cont.)
Operaciones básicas de obtención de metales
• Operaciones físicas: triturado, molido, filtrado (a presión o al vacío),
centrifugado, decantado, flotación, disolución, destilación, secado,
precipitación física.: , , , ,
electrólisis, hidrólisis, lixiviación mediante reacciones ácido‐base,
precipitación química, electrodeposición, cianuración.
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Conceptos generales de metalurgia (cont.)
• Alto horno: es la instalación industrial dónde se transforma o trabaja el
mineral de hierro. Un alto horno típico está formado por una cápsula
cilíndrica de acero de unos 30 m de alto forrada con un material no
metálico y resistente al calor, como asbesto o ladrillos refractarios. El,
máximo en un punto situado aproximadamente a una cuarta parte de su
altura total. La parte inferior del horno está dotada de varias aberturas
,
enciende el coque. Cerca del fondo se encuentra un orificio por el que
fluye el arrabio cuando se sangra (o vacía) el alto horno. Encima de ese
orificio ero deba o de las toberas ha otro a u ero ara retirar la
escoria.
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La parte superior del horno contiene respiraderos para los gases de
escape, y un par de tolvas redondas, cerradas por válvulas en forma de
campana, por las que se introduce el mineral de hierro, el coque y la
caliza. Una vez obtenido el acero líquido, se puede introducir en:
la colada convencional, de la que se obtienen productos acabados; la
colada continua, de la que se obtienen trenes de laminación y,
, ,
obtienen lingotes.
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Conceptos generales de metalurgia (cont.)
• Horno de inducción: Es un horno eléctrico en el que el calor es generado
por calentamiento por la inducción eléctrica de un medio conductivo (un
metal) en un crisol alrededor del cual se encuentran enrolladas bobinas
magnéticas.,
punto de vista energético, y es un proceso de fundición y de tratamiento
de metales más controlable que con la mayoría de los demás modos de
.
gran cantidad de calor de manera rápida. Los principales componentes
de un sistema de calentamiento por inducción son: la bobina de
inducción la fuente de alimentación la eta a de aco lamiento de la
carga, una estación de enfriamiento y la pieza a ser tratada.
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Las fundiciones más modernas utilizan este tipo de horno y cada vez
más fundiciones están sustituyendo los altos hornos por los de
inducción, debido a que aquellos generaban mucho polvo entre otros
contaminantes. El rango de capacidades de los hornos de inducción
utilizados para fundir hierro y acero, cobre, aluminio y metales
preciosos. Uno de los principales inconvenientes de estos hornos es la
de productos oxidantes y ser de una composición conocida y algunas
aleaciones pueden perderse debido a la oxidación (y deben ser re‐
añadidos .
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• Arrabio: es el material fundido que se obtiene en el alto horno mediante
reducción del mineral de hierro. Se utiliza como materia prima en la
obtención del acero en los altos hornos.
Los materiales básicos empleados para fabricar arrabio son mineral de, .
calentar el horno, y al arder libera monóxido de carbono, que se
combina con los óxidos de hierro del mineral y los reduce a hierro
.
horno es:
Fe2O3 + 3CO → 3CO2 + 2Fe
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La caliza de la carga del horno se emplea como fuente adicional de
monóxido de carbono y como sustancia fundente. Este material se
combina con la sílice presente en el mineral (que no se funde a las
temperaturas del horno) para formar silicato de calcio, de menor punto. ,
perdería hierro metálico. El silicato de calcio y otras impurezas forman
una escoria que flota sobre el metal fundido en la parte inferior del
.
metálicos; sin embargo, pueden contener sulfuros de metal y átomos de
metal en forma de elemento. Aunque la escoria suele utilizarse como un
mecanismo de eliminación de residuos en la fundición del metal
también sirve para el control de la temperatura durante la fundición y
minimizar la re oxidación del metal líquido final antes de pasar al molde.
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Conceptos generales de metalurgia (cont.)• Maleabilidad: capacidad de los metales de hacerse láminas al ser
sometidos a esfuerzos de compresión.
• Ductilidad: propiedad de los metales de moldearse en alambre e hilos al
ser sometidos a esfuerzos de tracción.:
fuerzas bruscas (golpes, etc.)
• Resistencia mecánica: capacidad para resistir esfuerzo de tracción,
, .
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Reciclado de metalesLa mayor parte de los metales que existen pueden fundirse y volver a
procesare creando nuevos metales. Metales como aluminio, plomo, hierro,
acero, cobre, plata y oro son reciclados fácilmente cuando no están
mezclados con otras sustancias, porque pueden ser fundidos y cambiar de. ,
tiene mayor demanda comercial. El reciclaje del aluminio esta
incrementándose bastante debido a que una lata, producto de reciclaje,
similar con materas primas. Si recuperáramos todos estos metales serian
una gran fuente de materias primas.
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Reciclado de metales (cont.)Los yacimientos (de donde se extraen industrialmente el metal), son
depósitos de los mismos y están siendo poco a poco agotados. En los
nuevos yacimientos se debe invertir mayor capital, ya que se encuentran
mas adentrados en la corteza terrestre y en lugares muy remotos para el. , ,
chile, Zambia, Zaire, Papúa, Nueva‐Guinea, lugares muy lejanos del centro
de producción. En 1990, para obtener los, casi, 9 millones de toneladas de
mineral.
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Reciclado de metales (cont.)Reciclado del aluminio:
En 1990, mas del 50% de las latas de aluminio fabricadas en EE.UU. fueron
producto del reciclaje. En la actualidad se recicla todo el aluminio que se
produce como recorte durante la fabricación de productos y una parte.
Los expertos aseguran que se ahorra suficiente energía reciclando una lata
de aluminio como para hacer funcionar un televisor durante 3 horas y
, .
El reciclado de aluminio sé esta poniendo de moda ya que todos queremos
reciclar aunque a algunos le importe mas la ganancia económica que la
contaminación ue roducen estos desechos.
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Reciclado de metales (cont.)Reciclado del aluminio:
El aluminio no cambia sus características durante el reciclado por lo que se
puede repetir indefinidamente, además los potes se pueden hacer
enteramente con metal reciclado..
impuesto por la legislación y se gestiona a través de consorcios. En otros
países el reciclado es voluntario. Esta actividad la organiza organizaciones
, , , .