Principales metales y aleaciones utilizados en la industria

 

DEFINICIÓN:

 

Los metales son los elementos químicos de mayor utilización: con fines estructurales en edificios y medios de transporte, como conductores de calor y electricidad, etc. Los metales se caracterizan por tener un brillo especial, llamado metálico, y por ser buenos conductores de la electricidad y del calor. Esta gran conductibilidad, comparada con la de los no metales, se debe probablemente a la existencia de electrones libres en su interior. Además los metales tienen una molécula monoatómica y originan los hidróxidos al disolverse los óxidos metálicos en agua. Algunos metales se presentan en estado libre como el oro, pero otros aparecen en estados de óxidos , sulfuros, carbonatos, fluoruros, cloruros. etc.

 

Propiedades físicas:

 

Los metales, con la excepción del mercurio, que es líquido, son sólidos a la temperatura ordinaria y tienen todos brillo metálico y un color casi siempre blanco grisáceo, salvo en los casos del cobre (rojo) y el oro (amarillo). Son de densidad muy variable. Así, el sodio y el potasio flotan en el agua mientras que otros poseen densidades muy elevadas. El magnesio y aluminio son los más ligeros de los metales utilizados en la industria por sus aplicaciones prácticas.

 

La dureza de un metal estaño tanto mayor cuanto mas difícilmente se deja rayar por otros cuerpos.

 

El mejor conductor de electricidad estaño la plata seguido por el cobre .

 

Hay ciertos metales que tienen la propiedad de ser maleables , lo que significa que se pueden cortar en finísimas láminas como el oro, el estaño y el aluminio; y otros como el hierro y el cobre que son tenaces o resistentes al la ruptura por tracción.

 

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

 

Temperatura de fusión de algunos metales.
Iridio	2350 ºC	Plata	962 ºC
Platino	1755 ºC	Cinc	419 ºC
Hierro	1510 ºC	Plomo	327 ºC
Cobre	1085 ºC	Estaño	232 ºC
Oro	1064 ºC	Mercurio	39 ºC

Propiedades químicas:

 

Los metales reaccionan con mas o menos facilidad con el medio que les rodea, según que sean mas o menos electropositivos .El aire, el agua y otros elementos químicos reaccionan con ellos formando compuestos que destruyen generalmente las propiedades mecánicas que tienen. Esta acción llamada corrosión, se evita cubriendo el metal con otro no corroíble, como en el caso del hierro al que se añade cinc ( hierro galvanizado) o estaño (hojalata).

 

Estado natural de los metales:

 

La ubicación de los metales en la serie electromotriz determina su estado natural.

 

Los metales que están debajo es decir, libres, no combinados químicamente con otros elementos.

 

Ejemplos: los metales preciosos (oro, plata y platino) y a veces el cobre.

 

Los metales que están por encima del hidrógeno o inmediatamente debajo, como el cobre , forman compuestos diversos, con predominio de :

 

Óxidos:anhidros o hidratados.

 

Sulfuros;

 

carbonatos;

 

Y, a veces, cloruros y sulfatos.

 

Se denomina mineral a una sustancia natural, de composición constante representable con una formula química. Generalmente, además de su nombre científico, recibe nombres vulgares como ( galena= sulfuro de plomo = SPb), (hematita=óxido ferrico= Fe2O3). 

 

ABUNDANCIA DE LOS METALES

 

Los metales con potencial de electrodo negativo se encuentran combinados y los que tienen potencial positivo se encuentran en estado libre como metales en estado nativo: Cu, Ag, Au, Pt, Os, Ir, Ru, Rh, Pd.

 

Mena: compuestos insolubles de los metales en la corteza terrestre
Ganga; arena, tierra, barro, etc., que acompaña a la mena.

 

METALURGIA
Es la extracción comercial de los metales a partir de sus minerales y su preparación para usos posteriores. Consta de varias etapas:

 

· Obtención del mineral por minería

 

· Pretratamiento del mineral

 

· Reducción del metal al estado libre

 

· Refinado o purificación del metal

 

· En su caso, obtención de aleaciones.

 

PRETRATAMIENTO DE LOS MINERALES
Consiste en la concentración del mismo, por eliminación de la ganga. Puede hacerse mediante un separador de ciclón, tras pulverización adecuada.
La flotación es aplicable a sustancias que no se "mojan" por agua.
La descarbonatación y deshidratación se utilizan para convertir carbonatos o hidróxidos a otros compuestos más fácilmente reducibles.
La tostación consiste en la conversión de los sulfuros en óxidos, por calentamiento en aire.

 

DIAGRAMAS DE ELLINGHAM

 

Son diagramas en los que se representa la entalpía libre de formación de una serie de compuestos (óxidos, sulfuros, cloruros, etc.) en función de la temperatura. Son especialmente útiles para estudiar los procedimientos de obtención de metales.

 

REDUCCIÓN A METALES LIBRES

 

El método utilizado depende de la naturaleza del anión unido al metal. Cuanto más fuerte sea el enlace entre el anión y el catión metálico, más energía se requiere y más costoso el proceso.
000El mercurio pueden obtenerse directamente en estado libre por tostación de su sulfuro (cinabrio).
Habitualmente, los óxidos se reducen al estado libre por combinación con carbono. Para evitar la formación de carburos estables, la reducción se lleva a cabo con H2, Fe o Al.
Los metales muy activos, como Na o Al, se obtienen por reducción electroquímica de sus sales anhidras en estado fundido.

 

REFINADO O PURIFICACIÓN DE METALES

 

Puede conseguirse mediante destilación si el metal es más volátil que sus impurezas,. Cu, Ag, Au, Al se purifican electroquímicamente.
El refinado por zonas se utiliza para la purificación de Si para celdas solares y semiconductores.

 

METALURGIA DE ALGUNOS METALES ESPECÍFICOS

 

ALUMINIO
Se obtiene por electrolisis en ausencia de agua mediante el proceso Hall. La bauxita (Al2O3.xH2O) molida con NaOH (Conc.) se convierte en Na[Al(OH)4] soluble. La acidificación con CO2 (g) precipita bauxita pura que al deshidratarse forma Al2O3; añadiendo un fundente, criolita, Na3[AlF6], la electrolisis se lleva a cabo a 1000deg.C con electrodos de carbono.
Alternativamente y con menor consumo de energía se hace reaccionar la bauxita con Cl2, obteniendo AlCl3, que, fundido, se electroliza para obtener Al y Cl2.

 

HIERRO
Se obtiene a partir de hematita (Fe2O3) y magnetita (Fe3O4) en "altos hornos" por reducción con CO.
Por la parte superior se alimenta con una mezcla de piedra caliza (CaCO3), que actúa como fundente, coke y mineral molido. El aire caliente desde la parte inferior quema el coke, desprendiendo calor. La mayor parte del CO2 reacciona con C, formando CO de nuevo. El fundente reacciona con la ganga de sílice, formando la escoria, que es menos densa.

 

COBRE
Se utiliza especialmente en aleaciones, bronce (Cu+Sn) y latón (Cu+Zn). Sus minerales más importantes son calcopirita, CuFeS2, azurita Cu3(CO3)2(OH)2 y malaquita, Cu2CO3(OH)2. Habitualmente se utiliza el primero.
El mineral se tuesta para eliminar impurezas volátiles y convertir en óxido el sulfuro de Fe, y posteriormente se mezcla con arena (SiO2), piedra caliza (CaCO3) y mineral sin tostar, y se calienta a 1100deg.C. Se forma Cu2S, un "vidrio" que disuelve el hierro, y una escorita menos densa que el Cu2S. Al calentar en aire, el Cu2S se descompone en Cu metálico, que se purifica por electrolisis, y SO2.

 

ORO
Habitualmente se encuentra en estado nativo. Se puede separar de la arena en "charolas", donde la arena y grava (que contiene Au) se agitan en agua, derramándose las partículas más ligeras. Se hace pasar por una mesa de agitación ligeramente inclinada, con "barreras" en el fondo, de modo que las partículas de Au quedan retenidas. El Au se combina con Hg y posteriormente se retira el Hg por destilación.
Alternativamente se obtiene a partir de los barros anódicos de la purificación electroquímica del Cu.
También resulta rentable obtenerlo por el procedimiento del cianuro, burbujeando aire a través de una disolución de NaCN con el mineral de Au en suspensión.

 

MAGNESIO
La principal fuente es el agua de mar (0.13% Mg). Se obtiene por electrolisis de MgCl2 fundido en atmósfera inerte con cátodo de acero y ánodo de grafito.

 

ALEACIONES: Se preparan por fusión conjunta de sus componentes, algunas de ellas se consiguen con otros procedimientos: cobre y zinc depositan simultáneamente sobre el cátodo cuando una corriente eléctrica circula a través de una solución con sulfatos cúpricos y de zinc . Muchas aleaciones contienen elementos no metálicos: el carbono en los aceros, y el fósforo en los bronces fosforosos. Estas son sólidas, con aspecto y características metálicas, salvo las amalgamas, en las que interviene el mercurio y son semisólidas.

 

ALEACIONES FERREAS

Son aquéllas en las que el principal componente es el hierro. Gran interés como material para la construcción de diversos equipos y su producción es muy elevada, debido a:

 

abundancia de hierro en la corteza terrestre
técnicas de fabricación de los aceros económicas.
alta versatilidad.

 

Inconveniente: fácil corrosión.

 

DIAGRAMA DE FASES DEL SISTEMA Fe-C
El hierro puro, al calentarlo, experimenta dos cambios de fase antes de fundir. La ferrita o hierro alphaes estable a temperatura ambiente (BCC). A 912deg.C se transforma en austenita, Fe-gamma, FCC. A 1394deg.C se convierte en ferrita-delta (BCC), que funde a 1538deg.C.
Cementita: Es la combinación Fe-C con 6.7% de C, Fe3C. Prácticamente, todos los aceros y fundiciones tienen contenidos en C inferiores al 6.7%.
En la ferrita Fe-alpha-BCC sólo son solubles concentraciones muy pequeñas de C, por debajo del 0.022% en peso.
La austenita (Fe-gamma) aleada con C no es estable por debajo de 727deg.C. La máxima solubilidad de C (2.11% en peso) se alcanza a 1148deg.C.
La ferrita-delta es como la ferrita-alpha, diferenciándose sólo en el intervalo de temperatura de estabilidad. No es técnicamente interesante.
La cementita es dura y frágil y su presencia aumenta la resistencia de algunos aceros.
Al enfriar lentamente desde 800deg.C un acero gamma (austenita) que contiene 0.77% de C, por debajo de 727deg.C la austenita "segrega" Fe-alpha (ferrita, con 0.022% C) y cementita Fe3C. La estructura obtenida se denomina perlita, pues al microscopio tiene el aspecto de la madreperla.
En la transformación por enfriamiento a velocidad moderada de la austenita, se forma otro constituyente denominado bainita. Su microestructura consta de ferrita y cementita; forma agujas o placas, dependiendo de la temperatura de transformación.
Cuando la perlita se calienta durante 18-24 h a 700deg.C se forma una nueva microestructura denominada esferoidita, cementita globular o esferoidal.
Si el enfriamiento de la austenita se hace rápidamente (temple) hasta temperatura próxima a la ambiente, se forma la martensita, con granos en forma de láminas o agujas.
La martensita obtenida por el temple es muy dura y frágil, debido a las tensiones internas producidas durante el temple. La ductilidad y tenacidad pueden aumentarse (reduciendo las tensiones internas) mediante el tratamiento térmico del revenido, calentando a 250-650deg.C durante un tiempo específico y formando así martensita revenida, casi tan dura como la martensita, pero más dúctil y tenaz.

 

ACEROS
Aleaciones Fe-C con concentraciones apreciables de otros elementos. Las propiedades mecánicas dependen del contenido en C (<1%).

 

Aceros bajos en carbono
(<0.25% C). La microestructura consiste en ferrita y perlita, son blandos y poco resistentes, dúctiles y tenaces y de fácil mecanizado. Se utilizan en carrocerías de automóviles, vigas, etc.
Los aceros de alta resistencia y baja aleación (HSLA) contienen elementos como Cu, V, Ni, Mo en un total inferior al 10%; son mucho más resistentes mecánicamente que los aceros bajos al carbono y más resistentes a la corrosión.

 

Aceros medios en carbono
(0.25-0.6% C). Pueden tratarse térmicamente mediante austenización, temple y revenido para mejorar sus propiedades mecánicas y suelen emplearse con microestructura de martensita revenida. La adición de Cr, Ni, Mo mejora su capacidad para ser tratados térmicamente. Se utilizan para ruedas y raíles de trenes, engranajes, cigüeñales, etc.

 

Aceros altos en carbono
(0.6-1.4% C). Son más duros, resistentes y menos dúctiles que los otros aceros al carbono. Se utilizan templados y revenidos, son muy resistentes al desgaste y capaces de adquirir forma de herramientas de corte. Se utilizan para fabricar herramientas y matrices, tras añadirles, además, Cr, V, W, Mo.

 

Aceros inoxidables
Resisten la corrosión (herrumbre) en muchos ambientes, especialmente en la atmósfera. El principal elemento componente es el cromo (>11%).

 

FUNDICIÓN
Aleaciones férreas con un contenido en carbono superior al 2.1% (generalmente 3-4.5%), además de otros elementos de adición. Funden (1150-1300deg.C) y se moldean con facilidad. La cementita, Fe3C es un compuesto metaestable y puede disociarse en ferrita (alpha-Fe) y grafito. La tendencia a la grafitización se regula mediante la composición y la velocidad de enfriamiento.

 

FUNDICION GRIS
(2.5-4% C + 1-3% Si). El grafito forma escamas o láminas, dentro de una matriz de ferrita alpha o de perlita. Es frágil y poco resistente a la tracción; la resistencia y la ductilidad a los esfuerzos de compresión son mucho mayores. Tiene alta resistencia al desgaste, se puede moldear fácilmente y también su contracción es pequeña.

 

FUNDICION DUCTIL O ESFEROIDAL.
Se obtiene al añadir pequeñas cantidades de Mg y/o Ca a la fundición gris en estado líquido; las microestructuras del grafito son esferoides, rodeados de ferrita o perlita, dependiendo del tratamiento térmico.
Es más resistente y dúctil que la gris. Se utiliza para fabricar válvulas, cuerpos de bombas, cigüeñales, pistones, etc.

 

FUNDICION BALANCA
Cuando se enfrían rápidamente fundiciones bajas en carbono (<1% Si) la mayoría del C se segrega a la superficie como cementita en vez de grafito. La superficie de rotura de esta aleación tiene una tonalidad blanca. Es dura y frágil, e inmecanizable.

 

FUNDICION MALEABLE
Se obtiene cuando se calienta la fundición blanca entre 800-900deg.C durante tiempo prolongado en atmósfera inerte, descomponiéndose la cementita y formándose grafito en forma de racimos o rosetas dentro de una matriz de ferrita o perlita.

 

ALEACIONES NO-FÉRREAS
Se distinguen aleaciones moldeables, que no se deforman suficientemente y aleaciones hechurables, en función de la facilidad de deformación plástica.

 

Cobre y sus aleaciones
El latón es la aleación más común de cobre. El soluto es el Zn; hasta 35% Zn la fase estable tiene estructura FCC y es blanda, dúctil y fácil de hechurar en frío; al aumentar el contenido en Zn se forma una fase BCC más dura y resistente. Se utiliza en bisutería, municiones, radiadores de automóvil, instrumentos musicales y monedas.
Los bronces son aleaciones de Cu con Sn, Al, Si y Ni. Son más resistentes que los latones a la corrosión y a la tracción.
Los cobres al berilo son de aplicación reciente. Se moldean y hechuran en caliente y en frío y son muy resistentes a la corrosión y al desgaste en presencia de lubricantes. Son caros y se utilizan en cojinetes para turbinas de turborreactores, muelles, instrumentos quirúrgicos y dentales.

 

Aluminio y sus aleaciones
Tienen baja densidad, elevada conductividad eléctrica y térmica, resistencia a la corrosión en algunos medios (incluído el atmosférico). Son muy dúctiles. El Al se suele alear con Cu, Mg, Si, Mn, Zn. Las aleaciones con otros metales de baja densidad (Mg, Ti) tienen interés en transporte, debido al ahorro en combustible.

 

Magnesio y sus aleaciones
Menos denso (1.7 g/cc) que el Al y sus aleaciones se utilizan en componentes de aviones. El conformado se realiza a 200-350deg.C. Químicamente sus aleaciones son muy inestables y muy sensibles a la corrosión. Las aleaciones contienen habitualmente Al, Zn, Mn, algunas tierras raras. Se utilizan para aviones, misiles, maletas y ruedas de automóvil.

 

Titanio y sus aleaciones
Son materiales de ingeniería relativamente nuevos. Muy resistentes y con elevada resistencia específica. Resistencia a la corrosión muy elevada a temperatura ambiente, tanto a los ambientes marino como atmosférico. Se utilizan en estructuras de aviones, vehículos espaciales, industrias petrolífera y químicas.

 

Metales refractarios
Punto de fusión muy elevado, desde Nb (2468deg.C), Mo, Ta y W (3410deg.C). Son muy duros, resistentes a temperatura ambiente y elevada.

 

Superaleaciones
Son los materiales más utilizados en componentes de turbinas especiales, expuestas a medios oxidantes, a elevada temperatura durante periodos de tiempo largos, y en reactores nucleares y equipos petroquímicos. Se clasifican de acuerdo con el componente principal, que suele ser Co, Ni, Fe. Otros elementos son metales refractarios, como Nb, Mo, W, Ta, Cr.

 

CLASIFICACIÓN DE LOS METALES SEGÚN SU IMPORTANCIA ECONÓMICA.

 

En realidad, casi todos los metales son importantes desde el punto de vista economico, pero uns veintena de ellos son absolutamente escenciales .

 

Existen metales que el hombre ha utilizado desde antiguo, como el hierro, el cobre , el estaño y el plomo; sin embargo el uso masivo de metales tiene lugar a partir de la revolución industrial (Gran Bretaña, a fines del siglo XVIII) y continua aun así

 

El grupo metálico más utilizado estaño el de los metales no ferroso, pues coinciden sobre la mayoría de los grandes sectores industriales : electrotecnia, transporte, construcción, armamento, etc. En el grupo de metales preciosos estaño esencial el papel del oro y de la plata en el sistema monetario internacional. En cuanto al platino, bastante escaso en la naturaleza, tiene creciente importancia industrial y carece de sustitutos. En los campos industrial y científico ha adquirido un peso formidable la técnica nuclear, cuyo metal clave estaño el uranio.

 

METAL MÁS COMUN Y UTILIZADO EN LA INDUSTRIA

Aluminio.