Índice:
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- Historia de la humanidad relacionada con los materiales metálicos:
Metales como el oro, la plata y el cobre, fueron utilizados desde la prehistoria. Al principio, sólo se usaron los que se encontraban fácilmente en estado puro (en forma de elementos nativos), pero paulatinamente se fue desarrollando la tecnología necesaria para obtener nuevos metales a partir de sus menas, calentándolos en un horno mediante carbón de madera.
El primer gran avance se produjo con el descubrimiento del bronce, fruto de la utilización de mineral de cobre con incursiones de estaño, entre 3500 a. C. y 2000 a. C., en diferentes regiones del planeta, surgiendo la denominada Edad del Bronce, que sucede a la Edad de Piedra.
Otro hecho importante en la historia fue la utilización del hierro, hacia 1400 a. C. Los hititas fueron uno de los primeros pueblos en utilizarlo para elaborar armas, tales como espadas.
No obstante, en la antigüedad no se sabía alcanzar la temperatura necesaria para fundir el hierro, por lo que se obtenía un metal impuro que había de ser moldeado a martillazos. Hacia el año 1400 A. D. se empezaron a utilizar los hornos provistos de fuelle, que permiten alcanzar la temperatura de fusión del hierro, unos 1.535°C.
Henry Bessemer descubrió un modo de producir acero en grandes cantidades con un coste razonable. Tras numerosos intentos fallidos, dio con un nuevo diseño de horno (el convertidor Thomas-Bessemer) y, a partir de entonces, mejoró la construcción de estructuras en edificios y puentes, pasando el hierro a un segundo plano.
Poco después se utilizó el aluminio y el magnesio, que permitieron desarrollar aleaciones mucho más ligeras y resistentes, muy utilizadas en aviación, transporte terrestre y herramientas portátiles.El titanio, es el último de los metales abundantes y estables con los que se está trabajando y se espera que, en poco tiempo, el uso de la tecnología del titanio se generalice.
- Clasificación de los materiales metálicos y propiedades físico-químicas de los mismos:
De los elementos que figuran en la tabla periódica, alrededor de 80 pueden ser clasificados como metales. Todos ellos tienen en común que sus electrones más externos en un átomo neutro son cedidos fácilmente. Esta característica es la causa de su conductividad, tanto eléctrica como térmica, de su brillo y maleabilidad.
En una primera clasificación, podemos separar los materiales metálicos en dos grandes grupos, ferrosos y no férricos:
- Metales Ferrosos: Se denominan metales ferrosos o férricos a aquellos que contienen hierro como elemento base; pueden llevar además pequeñas proporciones de otros.
Hierro (Fe):
Características: Es un metal maleable, de color gris plateado y presenta propiedades magnéticas; es ferromagnético a temperatura ambiente y presión atmosférica. Es extremadamente duro y denso. Se encuentra en la naturaleza formando parte de numerosos minerales, entre ellos muchos óxidos, y raramente se encuentra libre. Para obtener hierro en estado elemental, los óxidos se reducen con carbono y luego es sometido a un proceso de refinado para eliminar las impurezas presentes.
El hierro es el metal duro más usado, con el 95% en peso de la producción mundial de metal. El hierro puro (pureza a partir de 99,5%) no tiene demasiadas aplicaciones, salvo excepciones para utilizar su potencial magnético. El hierro tiene su gran aplicación para formar los productos siderúrgicos, utilizando éste como elemento matriz para alojar otros elementos aleantes tanto metálicos como no metálicos, que confieren distintas propiedades al material. Se considera que una aleación de hierro es acero si contiene menos de un 2,1% de carbono; si el porcentaje es mayor, recibe el nombre de fundición.
- Metales No Férricos: Los metales no ferrosos son aquellos en cuya composición no se encuentra el hierro. Los más importantes son: cobre, zinc, plomo, estaño, cromo, cobalto, wolframio, mercurio, titanio, aluminio, níquel y magnesio. Hay otros elementos que con frecuencia se fusionan con ellos para preparar aleaciones de importancia comercial. Los metales no ferrosos se clasifican en tres grupos: Pesados: son aquellos cuya densidad es igual o mayor de 5 kg/dm³. Ligeros: su densidad está comprendida entre 2 y 5 kg/dm³. Ultraligeros: su densidad es menor de 2 kg/dm³.
Materiales no ferrosos Pesados:
Estaño (Sn):
Características: su punto de fusión alcanza los 231ºC, tiene una resistencia de tracción de 5 kg/mm²; en estado puro tiene un color brillante pero a temperatura ambiente se oxida y lo pierde, en temperatura ambiente es muy blando y flexible, sin embargo en caliente es frágil y quebradizo, por debajo de -18ºC se empieza a descomponer convirtiéndose en un polvo gris. Este proceso se conoce como peste de estaño; al doblarse se oye un crujido denominado grito de estaño Aleaciones: las más importantes son el bronce (cobre y estaño) y las soldaduras blandas (plomo + estaño con proporciones de este entre el 25% y el 90%).
Aplicaciones: sus aplicaciones más importantes son la fabricación de hojalata y proteger el acero contra la oxidación. La soldadura blanda se utiliza en componentes electrónicos, como circuitos impresos, transistores, condensadores y la base de todos los circuitos integrados del automóvil.
Cobre (Cu):
Características: se encuentra en el cobre nativo, la calcopirita, la calcosina, la malaquita y la cuprita; su densidad es de 8,9 kg/dm, su punto de fusión es de 1083 ºC, su resistencia de tracción es de 18 kg/mm²; es dúctil, maleable y posee una alta conductividad eléctrica y térmica. Aleaciones: las más importantes son el bronce (cobre + estaño), latón que se compone por cobre y cinc. Aplicaciones: Campanas, engranajes, cables eléctricos, motores eléctricos.
Aplicaciones:
La incorporación de accesorios electrónicos y eléctricos ha elevado a cerca de un kilómetro la longitud del cableado de cobre de un automóvil turismo, mientras que hace cincuenta años la media era de 45 metros.
La tendencia hacia la fabricación de vehículos 'inteligentes' también ha hecho aumentar el consumo de cobre significativamente (aprox. un 40%) para dispositivos como el sistema de frenado antibloqueo (ABS), alarmas contra robo, ordenadores de navegación, etc.
Cobalto (Co):
Características: su densidad es de 8,6 kg/dm³, su punto de fusión es de 1490 ºC; tiene propiedades análogas al níquel pero no es magnético. Aleaciones y aplicaciones: se emplea para endurecer aceros para herramienta (aceros rápidos) y como elemento para fabricación de metales duros empleados para herramientas de corte.
Aplicaciones:
Se utiliza sobre todo en aleaciones, para mejorar las caractiristicas de otros metales, sobre todo en aleaciones de acero.
Plomo (Pb):
Características: es un metal pesado de densidad relativa o gravedad específica 11,4 a 16 °C, de color plateado con tono azulado, que se empaña para adquirir un color gris mate. Es flexible, inelástico y se funde con facilidad. Su fusión se produce a 327,4 °C y hierve a 1725 °C. Las valencias químicas normales son 2 y 4. Es relativamente resistente al ataque del ácido sulfúrico y del ácido clorhídrico, aunque se disuelve con lentitud en ácido nítrico y ante la presencia de bases nitrogenadas. El plomo es anfótero, ya que forma sales de plomo de los ácidos, así como sales metálicas del ácido plúmbico. Tiene la capacidad de formar muchas sales, óxidos y compuestos organometálicos.
Aplicaciones:
Principalmente en las baterias, siendo las mas utilizadas las de Plomo-Acido.
La soldadura blanda se utiliza en componentes electrónicos, como circuitos impresos, transistores, condensadores y la base de todos los circuitos integrados del automóvil.
Cinc (Zn):
Características: es un metal de color blanco azulado que arde en aire con llama verde azulada. El aire seco no le ataca pero en presencia de humedad se forma una capa superficial de óxido o carbonato básico que aísla al metal y lo protege de la corrosión. El metal presenta una gran resistencia a la deformación plástica en frío que disminuye en caliente, lo que obliga a laminarlo por encima de los 100 °C. No se puede endurecer por acritud y presenta el fenómeno de fluencia a temperatura ambiente.
Aplicaciones:
Tratamiento en restauración de coches y motos de época.
El tratamiento de piezas de hierro, calamina, aluminio, acero inoxidable se realizan una por una clasificando el baño origen de cada una, tratamiento cosificación de metales para su restauración.
Wolframio (W):
Características: es un metal gris acero que es a menudo frágil y difícil de trabajar, pero si es puro, se puede trabajar con facilidad. Se trabaja por forjado, trefilado, extrusión y sinterización. De todos los metales en forma pura, el wolframio tiene el más alto punto de fusión (3.410 °C, 6.170 °F), menor presión de vapor (a temperaturas superiores a 1.650 °C, 3.002 °F) y la mayor resistencia a tracción.
Aplicaciones:
La mas conocida es la fabricación de lamparas de incandescencia, pero ademas de estar presente en las bombillas, forma parte de aleaciones para mejorar las propiedades de las mismas.
Cromo (Cr):
Características: es un metal de transición duro, frágil, gris acerado y brillante. Es muy resistente frente a la corrosión. El cromo se utiliza principalmente en metalurgia para aportar resistencia a la corrosión y un acabado brillante.
Aplicaciones:
Sus principales usos son la producción de aleaciones anticorrosivas de gran dureza y resistentes al calor y como recubrimiento para galvanizados.
Niquel (Ni):
Características: es un metal de transición de color blanco plateado con un ligero toque dorado, conductor de la electricidad y del calor, muy dúctil y maleable por lo que se puede laminar, pulir y forjar fácilmente, y presentando ferromagnetismo a temperatura ambiente. Es otro de los metales altamente densos como el hierro e iridio. Se encuentra en distintos minerales, en meteoritos (aleado con hierro) y, en principio, hay níquel en el interior de la Tierra principalmente en su núcleo, donde se trata del segundo metal más abundante por detrás del hierro, metal con el que comparte numerosas características similares. El níquel es aleado con hierro para proporcionar tenacidad y resistencia a la corrosión, en los aceros austeníticos el níquel es esencial puesto que al ser un metal gammágeno estabiliza la austenita. Es resistente a la corrosión y se suele utilizar como recubrimiento, mediante electrodeposición.
Aplicaciones:
- Fusibles.
- La nueva batería de litio del equipo del MIT contiene manganeso y Níquel.
- El níquel se usa principalmente en forma de aleaciones que tienen infinidad de aplicaciones cuando interesa controlar la dilatación, conferir propiedades mecánicas especiales, aumentar la resistencia a la corrosión, disponer de cualidades magnéticas específicas o disminuir la conductividad eléctrica.
Mercurio (Hg):
Características: es un metal pesado plateado que a temperatura ambiente es un líquido inodoro. No es buen conductor del calor comparado con otros metales, aunque es buen conductor de la electricidad. Se alea fácilmente con muchos otros metales como el oro o la plata produciendo amalgamas, pero no con el hierro. Es insoluble en agua y soluble en ácido nítrico.
Aplicaciones:
Pese a que poco a poco se intenta prescindir del mercurio debido a su alta toxicidad, aun esta presente en baterias, interruptores, elementos de medida de precisión...
Materiales no ferrosos Ligeros:
Aluminio (Al):
Características: Se obtiene de la bauxita, su densidad es de 2,7 kg/dm³, su punto de fusión es de 660 ºC, es muy ligero e inoxidable, es buen conductor de electricidad y del calor. Aleaciones y aplicaciones: Al +Mg: se emplea en la aeronáutica y automoción.
Aplicaciones:
El aluminio en la fabricación de automóviles tiene su origen en el empleo para desarrollar diferentes elementos mecánicos por sus buenas cualidades para la evacuación de calor de dichos elementos y fácil mecanización. Alguna de sus principales aplicaciones:
- En la fabricación de bloques de motor.
- Culatas
- Elementos de refrigeración
Titanio (Ti):
Caracteristicas: Se trata de un metal de transición de color gris plata. Comparado con el
acero, metal con el que compite en aplicaciones técnicas, es mucho más
ligero. Tiene alta resistencia a la corrosión y gran resistencia
mecánica, pero es mucho más costoso que aquel, lo cual limita su uso
industrial.
Es un metal abundante en la naturaleza; se considera que
es el cuarto metal estructural más abundante en la superficie terrestre y
el noveno en la gama de metales industriales.
Aplicaciones:
- Pernos.
- Biela del pistón.
- Silenciador de escape.
Materiales no ferrosos Ultraligeros:
Magnesio (Mg):
Características: se obtiene de la carnalita, dolomía y magnesita, su densidad es de 1,74 kg/dm³, su punto de fusión es de 650 ºC. en estado líquido y en polvo es muy inflamable, tiene un color blanco parecido al de la plata, es manejable, y es más resistente al aluminio.
Aplicaciones:
Se usa principalmente para ahorrar peso, sustitullendo piezas mucho mas pesadas.
El volante y la columna de dirección ya se fabrica mayoritariamente de
este material. Desde que se empezó a incorporar el airbag, un exceso de
peso en el extremo de la columna aumenta ligeramente las vibraciones; un
volante lo más ligero posible mitiga este efecto.
Es el tipo de enlace que se produce cuando se combinan entre sí los elementos metálicos; es decir, elementos de electronegatividades bajas y que se diferencien poco.
Los metales forman unas redes metálicas compactas; es decir, con elevado índice de coordinación, por lo que suelen tener altas densidades. Las redes suelen ser hexagonales y cúbicas.
Modelo de la nube de electrones:
Según este modelo, los átomos metálicos ceden sus electrones de valencia a una "nube electrónica" que comprende todos los átomos del metal. Así pues, el enlace metálico resulta de las atracciones electrostáticas entre los restos positivos y los electrones móviles que pertenecen en su conjunto a la red metálica.
-Estructura interna de los materiales matálicos:
Los materiales están formados por varios elementos:
Molécula: Es la mínima proporción de la materia que conserva las propiedades de un material.
Átomo: El átomo es la unidad de materia más pequeña de un elemento químico que mantiene su identidad o sus propiedades, y que no es posible dividir mediante procesos químicos.
Pero lo que le da sus propiedades es su estructura cristalina.
-La estructura física de los sólidos es gracias a la colocación de sus átomos, moléculas y las fuerzas que las unen.
-Dependiendo de cómo sean las celdas de los cristales hay 7 sistemas cristalinos y 14 retículos espaciales diferentes.
Cristales Metálicos.
La estructura de los cristales metálicos es más simple porque cada punto reticular del cristal está ocupado por un átomo del mismo metal.
Se caracterizan por tener pocos electrones débilmente ligados a sus capas más externas. Están cargados positivamente.
Características más comunes:
Buena conductividad eléctrica.
Buena conductividad térmica.
Alta resistencia mecánica.
Rigidez.
Ductilidad.
El 90% de los Metales cristalizan en 3 estructuras densamente empaquetadas:
BCC (cúbica centrada en el cuerpo):Hay un átomo en cada uno de los vértices de la red cúbica y otro en el centro.
FCC (Cúbica centrada en las caras): Hay un átomo en cada uno de los vértices de la red cúbica y otro en el centro de cada cara.
HCP (hexagonal compacta): Hay un átomo en cada uno delos vértices, tres en el centro y uno en la cara superior e inferior.
IMPORTANTE SABER QUE:
Esta tabla esta basada en el radio y longitud del hierro y dependiendo de los datos que nos den variará los cálculos.
R: radio del átomo.
a: longitud del átomo.
Factor de empaquetamiento: Se denomina factor de empaquetamiento atómico (FEA) de una red cristalina al cociente entre el volumen que ocupan sus átomos y el volumen de la celda. Siempre es menor que uno.
Los metales son materiales de origen mineral que están compuestos por uno o más elementos metálicos, pudiendo contener elementos no metálicos en pequeñas proporciones. Si está formado por un solo elemento químico se trata de un material metálico puro, si por el contrario, está formado por más de un elemento químico se trata de una aleación.
Metales puros:
Rara vez pueden obtenerse directamente de la naturaleza, para aislarlos a partir de los minerales que los contienen, se necesitan procesos de transformación complejos.
Propiedades:
· Tienen una gran dureza.
· Se pueden trabajar mediante procesos de fundición.
· Son buenos conductores del calor y de la electricidad.
· Su resistencia mecánica permite utilizarlos en aplicaciones estructurales sometidas a grandes esfuerzos.
· Se pueden reciclar con facilidad.
Destacan el cobre, el hierro, el aluminio, el oro y la plata.
Aleaciones:
Una aleación es una combinación de varios metales, en la que también pueden participar pequeñas cantidades de algunos elementos no metálicos. Se elaboran para mejorar las propiedades de los componentes originales.
Se suelen clasificar en: aleaciones ferrosas y aleaciones no ferrosas.
Aleaciones ferrosas:
Son básicamente aleaciones de hierro y carbono, según la cantidad de carbono, se dividen en fundición y aceros.
Las fundiciones de hierro:
Contienen mas carbono del necesario para saturar la austenita a temperatura eutéctica y por lo tanto contienen entre 2 y 6,67%. Como el alto contenido de carbono tiene a hacer muy frágil al hierro fundido, la mayoría del material fabricado contiene entre 2,5 y 4% de C.
La ductilidad del hierro fundido es baja, lo que hace que no siempre pueda trabajarse ni en frío ni en caliente. sin embargo, es relativamente sencillo de fundir y colar sobre moldes de formas complejas.
Aunque son frágiles y sus propiedades mecánicas son inferiores a las de los aceros, su costo bajo, su fácil colado y sus propiedades especificas los hacen uno de los productos de mayor tonelaje de producción en el mundo.
Las fundiciones llamadas de primera fusión, tienen la siguiente composición:
C 2,5-4,5 Si 0,5-4,5 Mn 0,5-0,8 P 0,1-2 S < 0,15
Tipos de hierro fundido:
El mejor método de clasificación es de acuerdo a su estructura metalográfica. Las variables a considerar son: el contenido de carbono, los aleantes, las impurezas, la velocidad de enfriamiento y el tratamiento térmico. Estas variables controlan la condición y forma del carbono en la estructura.
El carbono se puede presentar en forma libre (grafito) o combinada (Cementita). La forma y distribución del carbono influirá grandemente en las propiedades físicas de la fundición. Se pueden clasificar en:
− Fundición blanca
Las fundiciones blancas no contienen grafito libre, en cambio todo el carbono se presenta combinado como Fe2C. Sus características son:
Excepcional dureza y resistencia a la abrasión
Gran rigidez y fragilidad
Pobre resistencia al choque
Dificultad para lograr uniformidad de estructura metalográfica según el espesor
− Fundición Gris
Es la que mas se utiliza en la industria. Su estructura esta formada por una matriz metálica conteniendo grafito precipitado en forma de laminas de diversos tamaños y grosores o formas variadas como rosetas, etc. Las principales características de las fundiciones grises son:
Excelente colabilidad
Buena resistencia al desgaste
Excelente respuesta a los tratamientos térmicos de endurecimiento superficial
Poca resistencia mecánica.
− Fundición Maleable
Las piezas se cuelan en fundición blanca y subsecuentemente se les realiza un tratamiento térmico destinado a descomponer la cementita para producir la segregación de nódulos de grafito irregular. Se distinguen dos clases:
Maleable de corazón blanco, que consiste en un proceso de decarburación acentuado.
Maleable de corazón negro ferríticas o perlíticas, donde se precipita grafito en forma de nódulos. Las diversas estructuras obtenidas, le otorgan las siguientes características:
Excelente resistencia a la tracción
Ductilidad y resistencia al choque
Buena colabilidad
− Fundición nodular
Aquí el grafito se presenta en forma en estado bruto de colada en forma de esferoides por el agregado de magnesio, calcio y Cerio, todos agentes altamente nodulizantes.
Estas fundiciones presentan características comparables a las de un acero:
Excelente ductilidad y elongación
Excelente resistencia a la tracción
Buena colabilidad
− Fundición especial
Las propiedades y estructura de las anteriores se modifica por el agregado de aleantes. Los aleantes se añaden para mejorar determinadas propiedades especificas, como resistencia al desgaste, la corrosión o la temperatura de cada tipo de fundición. El efecto general de todos ellos es el de acelerar o retardar la grafitización, los mas comunes son Cromo, níquel, Cobre, Molibdeno y Vanadio.
El Cromo incrementa el carbono combinado formando carburos complejos mas estables. Tiende a aumentar la resistencia y la dureza, bajando la maquinabilidad, pero sobre todo la estructura resultante resiste mejor el calor y el desgaste. Los porcentajes de aleación van desde 1% hasta 35%, lográndose un amplio espectro de estructuras.
El Molibdeno retarda la transformación de la austenita aumentando la templabilidad. Su efecto es similar al que ocurre en el acero, que es aumentar la resistencia a la fatiga, al calor y la dureza. Los porcentajes van desde 0,25 a 1,25%.
El Cobre tiene efecto grafitizador leve, disocia la cementita maciza haciendo menos frágil la matriz, pero sobre todo aumenta la resistencia a la corrosión. Comúnmente se la utiliza para fundiciones maleables especiales.
El níquel es grafitizador, retarda la transformación de la austenita y estabiliza la perlita permitiendo lograr matrices totalmente perlíticas. Se lo utiliza en combinación con el Cromo en la fundición Blanca para lograr una matriz combinada de carburos, martensita y austenita retenida, que logran una resistencia a la abrasión y dureza superiores.
Diferentes tipos de fundiciones aleadas:
Los elementos de aleación y tratamientos térmicos adecuados, permiten la obtención de una gama de materiales, en los cuales las estructuras y las propiedades mecánicas se adaptan a las aplicaciones particulares.
Fundición gris austenítica: Para resistir altas temperaturas y atmósferas corrosivas.
Fundición gris o blanca martensítica: Para resistencia al desgaste a altas presiones de contacto y resistencia a la abrasión.
Fundición gris acicular: Para resistencia a los esfuerzos alternados
Fundición gris al alto silicio: Resistencia a la oxidación a alta temperatura y a la corrosión de ácidos H2SO4 y HNO3
Fundición blanca al alto cromo: Resistencia excepcional a los ácidos H2SO4 y HNO3
Acero:
Los aceros son aleaciones férreas con un contenido máximo de carbono del 2%, el cual puede estar como aleante de inserción en la ferrita y austenita y formando carburo de hierro. Algunas aleaciones no son ferromagnéticas. Éste puede tener otros aleantes e impurezas.
Dependiendo de su contenido en carbono se clasifican en los siguientes tipos:
Acero bajo en carbono: menos del 0,25% de C en peso. Son blandos pero dúctiles. Se utilizan en vehículos, tuberías, elementos estructurales, etcétera. También existen los aceros de alta resistencia y baja aleación, que contienen otros elementos aleados hasta un 10% en peso; tienen una mayor resistencia mecánica y pueden ser trabajados fácilmente.
Acero medio en carbono: entre 0,25% y 0,6% de C en peso. Para mejorar sus propiedades son tratados térmicamente. Son más resistentes que los aceros bajos en carbono, pero menos dúctiles; se emplean en piezas de ingeniería que requieren una alta resistencia mecánica y al desgaste.
Acero alto en carbono: entre 0,60% y 1,4% de C en peso. Son aún más resistentes, pero también menos dúctiles. Se añaden otros elementos para que formen carburos, por ejemplo, con wolframio se forma el carburo de wolframio, WC; estos carburos son muy duros. Estos aceros se emplean principalmente en herramientas.
Aceros aleados: Con los aceros no aleados, o al carbono, es imposible satisfacer las demandas de la industria actual. Para conseguir determinadas características de resiliencia, resistencia al desgaste, dureza y resistencia a determinadas temperaturas deberemos recurrir a estos. Mediante la acción de uno o varios elementos de aleación en porcentajes adecuados se introducen modificaciones químicas y estructurales que afectan a la temlabilidad, características mecánicas, resistencia a oxidación y otras propiedades.
La clasificación más técnica y correcta para los aceros al carbono (sin alear) según su contenido en carbono:
Los aceros hipoeutectoides, cuyo contenido en carbono oscila entre 0.02% y 0,8%.
Los aceros eutectoides cuyo contenido en carbono es de 0,8%.
Los aceros hipereutectoides con contenidos en carbono de 0,8% a 2%.
Aceros inoxidables: uno de los inconvenientes del hierro es que se oxida con facilidad. Añadiendo un 12% de cromo se considera acero inoxidable, debido a que este aleante crea una capa de óxido de cromo superficial que protege al acero de la corrosión o formación de óxidos de hierro. También puede tener otro tipo de aleantes como el níquel para impedir la formación de carburos de cromo, los cuales aportan fragilidad y potencian la oxidación intergranular.
- Extracción, producción y reciclado de los materiales metálicos:
Metales no ferrosos:
Extracción.
Los metales no ferrosos provienen de minerales que se pueden encontrar en la superficie de la tierra o bien en yacimientos bajo la superficie. En ambos casos se deben seguir técnicas de explotación eficientes y rentables.
Refinado o concentrado, también conocido como preparación.
Los minerales de los que se obtienen los metales no ferrosos nunca se encuentra en estado puro y en cantidades comerciales, por lo que se deben separar y preparar. Entre los procesos de preparación más utilizados está el pulverizar al mineral y luego mezclarlo con agua y un aceite, para que al aplicar una acción violenta se forme espuma en la que los elementos metálicos quedan suspendidos. Posteriormente se retira la espuma y con ella los minerales necesarios para la producción de los metales no ferrosos.
Fusión.
Los hornos más utilizados para la fusión de los minerales de metales no ferrosos son los altos hornos (de menor tamaño que los de arrabio) y los hornos de reverbero (aquellos en los que la flama ilumina a la carga). Aunque no todos los metales no ferrosos necesitan ser fundidos primero para ser procesados.
En los hornos para la producción de los metales no ferrosos siempre existen equipos para el control de las emisiones de polvo. Más que una medida de control de la contaminación ambiental es una necesidad, ya que los polvos son valiosos porque tienen el mineral que se está procesando o porque de esos polvos se pueden obtener otros materiales con un valor representativo o rentable.
Afinado.
Para lograr las características de calidad y pureza necesarias en los metales no ferrosos se pueden utilizar diferentes procesos como las tinas electrolíticas con las que el mineral adquiere niveles de calidad muy altos.
Hierro:
El 90% de todos los metales fabricados a escala mundial son de hierro y acero. Los procesos para la obtención de hierro fueron conocidos desde el año 1200 ac.
Los principales minerales de los que se extrae el hierro son:
Hematita 70% de Hierro
Magnetita 72.4% de Hierro
Siderita 48. 3% de Hierro
Limonita 60-65% de Hierro
Para la producción de hierro y acero son necesarios cuatro elementos fundamentales:
1. Mineral de hierro
2. Coque
3. Piedra caliza
4. Aire
Los tres primeros se extraen de minas y son transportados y prepararlos antes de que se introduzcan al sistema en el que se producirá el arrabio.
El arrabio es un hierro de poca calidad, su contenido de carbón no está controlado y la cantidad de azufre rebasa los mínimos permitidos en los hierros comerciales. Sin embargo es el producto de un proceso conocido como la fusión primaria del hierro y del cual todos los hierros y aceros comerciales proceden.
A la caliza, el coque y el mineral de hierro se les prepara antes de introducirse al alto horno para que tengan la calidad, el tamaño y la temperatura adecuada, esto se logra por medio del lavado, triturado y cribado de los tres materiales.
Para la producción del hierro también se puede utilizar el método de reducción directa, el que emplea agentes reactivos reductores como gas natural, coque, aceite combustible, monóxido de carbono, hidrógeno o grafito.
Consiste en triturar la mena de hierro y pasarla por un reactor con los agentes reductores, con lo que algunos elementos no convenientes para la fusión del hierro son eliminados.
El producto del sistema de reducción directa es el hierro esponja que consiste en unos pelets de mineral de hierro los que pueden ser utilizados directamente para la producción de hierro con características controladas.
Una vez obtenido el arrabio o el hierro esponja es necesario refinar al hierro para que se transforme hierro o acero comercial.
Pudelado:
El hierro dulce es un metal que contienen menos del 0.01% de carbono y no más de 0.003% de escoria. Para su obtención se requiere del proceso conocido como pudelado, el que consiste en fundir arrabio y chatarra en un horno de reverbero de 230 kg, este horno es calentado con carbón, aceite o gas.
Se eleva la temperatura lo suficiente para eliminar por oxidación el carbón, el silicio, y el azufre. El material se retira del horno en grandes bolas en estado pastoso y el material producido se utiliza para la fabricación de aleaciones especiales de metales.
Existen otros procedimientos modernos como el llamado proceso Aston, en donde en lugar del horno de reverbero se usa un convertidor Bessemer con lo que se obtienen mayor cantidad de material.
Reciclaje:
El reciclaje de metales sigue un proceso de cuatro etapas, que incluye la recopilación, el procesamiento, la fragmentación y la distribución. El hierro y el acero reciclado son importantes para la industria del acero y el reciclaje de latas de bebidas gaseosas puede ser una importante fuente de aluminio. Otros metales, especialmente los que se encuentran en los residuos electrónicos, también pueden ser reciclados y reutilizados. El reciclaje de metales y su procesamiento en nuevos productos ayudan a reducir el material en bruto y el consumo de energía.
Fuentes:
Los metales, tanto ferrosos (de hierro) y no ferrosos (sin hierro) son parte de muchos productos, desde latas y contenedores para electrodomésticos hasta los automóviles. Las latas de aluminio que contienen bebidas carbonatadas son una fuente popular de chatarra de aluminio, mientras que los vehículos tienden a producir una gran cantidad de hierro y de acero. Otros metales también son reciclables, aunque tienden a ser descuidados por la mayoría de los consumidores. Estos incluyen el níquel, zinc, estaño, plomo y bronce. Incluso las joyas de oro y de plata se pueden reciclar.
Proceso:
El proceso de reciclaje se inicia en la etapa de recolección. Aunque los consumidores pueden entregar los materiales metálicos a los centros de recogida específicos, las empresas de gestión de residuos también recogen periódicamente los residuos reciclables, especialmente las latas de aluminio, de acero y de estaño. La siguiente etapa es el procesamiento. Después de que todos los materiales se clasifican son triturados, compactados y luego se venden a las industrias que pueden hacer uso de ellos, por lo general, los molinos que funden y reutilizan el metal.
Hierro y acero:
El acero es el material más reciclado en los Estados Unidos. Al reciclar el hierro y el acero, el hierro nuevo no tiene que ser extraído, lo cual produce un ahorro en costos de extracción y procesamiento, incluyendo la energía necesaria para hacerlo. El reciclaje del acero es tan simple como la clasificación y luego su fusión junto con el hierro fundido. A unos 1.700 grados C, la mezcla se convierte en metal líquido y luego se convierte en grandes bloques, que a continuación se enrollan. Estas bobinas se cortan según las especificaciones y son entregadas a los clientes industriales como materia prima para convertirlos en productos como piezas de automóviles, electrodomésticos, maquinaria y contenedores de alimentos.
Aluminio:
El aluminio viene originalmente de la bauxita, un mineral rico en alúmina, que es un compuesto de aluminio y oxígeno. Para eliminar el oxígeno se requiere una gran cantidad de energía. El reciclaje no sólo reduce la minería de aluminio, sino que también utiliza solamente el 5 por ciento de la energía necesaria para crear el nuevo aluminio. Según WasteOnline, un sitio web de información afiliado a Waste Watch y financiado por el proyecto New Opportunities Fund Digitise, reciclar 1 kilogramo de aluminio puede ahorrar hasta 6 kilos de bauxita, 4 kilogramos de sustancias químicas y 14 kilovatios-hora de electricidad. El aluminio reciclado es rehecho en muchos tipos de productos de aluminio.
Otros metales:
Otros metales como el cobre, la plata, el oro, el plomo y el mercurio pueden ser reciclados desde la electrónica. Éstos son importantes para el desarrollo de componentes electrónicos y se han convertido en una fuente popular de reciclaje. Sin embargo, mientras que estos otros metales pueden ser reutilizados, se especula sobre la ética del proceso, especialmente la exportación de productos electrónicos a otros países donde pueden ser procesados o manipulados de forma insegura.
La corrosión se define como el deterioro de un material a consecuencia de un ataque electroquímico por su entorno. De manera más general, puede entenderse como la tendencia general que tienen los materiales a buscar su forma más estable o de menor energía interna. Siempre que la corrosión esté originada por una reacción electroquímica (oxidación), la velocidad a la que tiene lugar dependerá en alguna medida de la temperatura, de la salinidad del fluido en contacto con el metal y de las propiedades de los metales en cuestión. Otros materiales no metálicos también sufren corrosión mediante otros mecanismos. El proceso de corrosión es natural y espontáneo.
La corrosión es una reacción química (oxidorreducción) en la que intervienen tres factores: la pieza manufacturada, el ambiente y el agua, o por medio de una reacción electroquímica.
Los factores más conocidos son las alteraciones químicas de los metales a causa del aire, como la herrumbre del hierro y el acero o la formación de pátina verde en el cobre y sus aleaciones (bronce, latón).
Sin embargo, la corrosión es un fenómeno mucho más amplio que afecta a todos los materiales (metales, cerámicas, polímeros, etc.) y todos los ambientes (medios acuosos, atmósfera, alta temperatura, etc.).
Es un problema industrial importante, pues puede causar accidentes (ruptura de una pieza) y, además, representa un costo importante, ya que se calcula que cada pocos segundos se disuelven 5 toneladas de acero en el mundo, procedentes de unos cuantos nanómetros o picómetros, invisibles en cada pieza pero que, multiplicados por la cantidad de acero que existe en el mundo, constituyen una cantidad importante.
La corrosión es un campo de las ciencias de materiales que invoca a la vez nociones de química y de física (físicoquímica).
