Metalurgia

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Fundicion
Casting; vertiendo oro fundido en un lingote. El oro se proceso en la mina de oro La Luz (en la foto) cerca de Siuna, Nicaragua, hasta el ano 1 a. C.
Empresa metalurgica.

La metalurgia es la tecnica de la obtencion y tratamiento de los metales a partir de minerales metalicos . [ 1 ] ​ Tambien estudia la produccion de aleaciones . El control de calidad de los procesos. La metalurgia es la rama que aprovecha la ciencia, la tecnologia y el arte de obtener metales y minerales industriales, partiendo de sus minas, de una manera eficiente, economica y con resguardo del ambiente, a fin de adaptar dichos recursos en beneficio del desarrollo y bienestar de la humanidad.

La ciencia de la metalurgia se subdivide en dos grandes categorias: metalurgia quimica y metalurgia fisica. La metalurgia quimica se ocupa principalmente de la reduccion y la oxidacion de los metales, asi como del rendimiento quimico de los mismos cuestan. la metalurgia quimica incluye el procesamiento de minerales , la extraccion de metales , la termodinamica , la electroquimica y la degradacion quimica ( corrosion ). [ 2 ] ​ En cambio, la metalurgia fisica se centra en las propiedades mecanicas de los metales, las propiedades fisicas de los metales y el rendimiento fisico de los metales. Los temas estudiados en la metalurgia fisica incluyen la cristalografia , [ 2 ] ​ la Caracterizacion de materiales , la metalurgia mecanica, la transformaciones de fase y el mecanismos de fallo . [ 3 ] ​

Historicamente, la metalurgia se ha centrado predominantemente en la produccion de metales. La produccion de metales comienza con el procesamiento de minerales para extraer el metal, e incluye la mezcla de metales para hacer aleaciones . Las aleaciones de metales suelen ser una mezcla de al menos dos elementos metalicos diferentes. Sin embargo, a menudo se anaden elementos no metalicos a las aleaciones para conseguir las propiedades adecuadas para una aplicacion. El estudio de la produccion de metales se subdivide en metalurgia ferrosa (tambien conocida como metalurgia negra ) y metalurgia no ferrosa (tambien conocida como metalurgia del color ). La metalurgia ferrosa comprende procesos y aleaciones basados en el hierro , mientras que la metalurgia no ferrosa comprende procesos y aleaciones basados en otros metales. La produccion de metales ferrosos representa el 95% de la produccion mundial de metales. [ 4 ] ​

Los metalurgicos modernos trabajan tanto en areas emergentes como tradicionales como parte de un equipo interdisciplinario junto a cientificos de materiales, y otros ingenieros. Algunas areas tradicionales incluyen el procesamiento de minerales, la produccion de metales, el tratamiento termico, el analisis de fallos y la union de metales (incluyendo la soldadura , la soldadura fuerte y la soldadura ). Las areas emergentes para los metalurgicos incluyen la nanotecnologia , la superconductores , los composites , los materiales biomedicos , los materiales electronicos (semiconductores) e ingenieria de superficies .

Etimologia [ editar ]

La palabra metalurgia deriva del griego antiguo μεταλλουργ?? , metallourgos , "trabajador del metal", de μ?ταλλον , metallon, "mina, metal" + ?ργον, ergon , "trabajo": En la Encyclopædia Britannica de 1797 se habla de ella en este sentido. [ 5 ] ​ A finales del siglo  XIX , se extendio al estudio cientifico mas general de los metales, las aleaciones y los procesos relacionados.

Historia [ editar ]

El cobre fue uno de los primeros minerales trabajados por el hombre, ya que se encuentra en estado casi puro ( cobre nativo ) en la naturaleza. Junto al oro y la plata se utilizo desde finales del Neolitico , golpeandolo, al principio, hasta dejarlo plano como una lamina . Despues, como consecuencia del perfeccionamiento de las tecnicas ceramicas, se aprendio a fundirlo en horno y vaciarlo en moldes , lo que permitio fabricar mejores herramientas y en mayor cantidad. Esto origino la Edad del Cobre de la humanidad (tambien conocida como Calcolitico).

Posteriormente, se experimento con diversas aleaciones , como la del arsenico , que produjo cobre arsenicado ; o la del estano , que dio lugar al bronce e inicio la Edad del Bronce de la humanidad. El bronce, mas duro y cortante que el cobre, aparecio hacia el 3000 a. C.

Regiones productoras de metales en la Edad Antigua en Oriente Proximo . Se muestran marcadas las areas de prevalencia del bronce arsenioso y del bronce de estano durante el III milenio a. C. [ 6 ] ​

Se han encontrado pequenas cantidades de oro natural en cuevas espanolas que datan del Paleolitico tardio, 40 000 a. C. [ 7 ] ​ La plata , el cobre , el estano y el hierro meteritico tambien se pueden encontrar en forma nativa, lo que permite una cantidad limitada de trabajo de metales en las culturas tempranas. [ 8 ] ​ Las armas egipcias hechas de hierro meteorico alrededor del 3000 a. C. eran muy apreciadas como dagas del cielo . [ 9 ] ​ Ciertos metales, en particular estano, plomo, y a una temperatura mas alta, el cobre se puede recuperar de sus minerales simplemente calentando las rocas en un fuego o en un alto horno, un proceso conocido como fundicion . La primera evidencia de esta metalurgia extractiva, que data del quinto y sexto milenio antes de Cristo, [ 10 ] ​ se ha encontrado en sitios arqueologicos en Majdanpek , Jarmovac cerca de Priboj y Plo?nik , en la actual Serbia . Hasta la fecha, la evidencia mas temprana de fundicion de cobre se encuentra en el sitio de Belovode cerca de Plocnik. [ 11 ] ​ Este sitio produjo un hacha de cobre del 5500 a. C., perteneciente a la Cultura de Vin?a . [ 12 ] ​ El uso mas temprano de plomo esta documentado en el asentamiento neolitico tardio de Yarim Tepe en Irak :

Los primeros hallazgos de plomo (Pb) en el antiguo Cercano Oriente son un brazalete del sexto milenio antes de Cristo de Yarim Tepe en el norte de Irak y una pieza conica de plomo ligeramente posterior del periodo Halaf Arpachiyah , cerca de Mosul. [ 13 ] ​ Como el plomo nativo es extremadamente raro, tales artefactos plantean la posibilidad de que la fundicion del plomo haya comenzado incluso antes de la fundicion del cobre . [ 14 ] ​ [ 15 ] ​

La fundicion de cobre tambien esta documentada en este sitio aproximadamente en el mismo periodo de tiempo (poco despues del 6000 aC), aunque el uso de plomo parece preceder a la fundicion de cobre. La metalurgia temprana tambien esta documentada en el sitio cercano de Tell Maghzaliyah, que parece estar fechado incluso antes, y carece por completo de esa ceramica. [ cita requerida ] Los Balcanes fueron el sitio de las principales culturas neoliticas, incluidas Butmir, Vin?a, Varna, Karanovo y Hamangia.

El proceso de adquisicion de los conocimientos metalurgicos fue diferente en las distintas partes del mundo, siendo las evidencias mas antiguas de fundicion del plomo y el cobre del VII milenio a. C., en Anatolia y en Kurdistan . [ 16 ] ​ [ 17 ] ​ En America no hay constancia hasta el I milenio a. C. [ 18 ] ​ y en Africa el primer metal que se consiguio fundir fue el hierro , durante el II milenio a. C. [ 19 ] ​

El hierro, que inauguro la Edad del Hierro de la humanidad, comenzo a trabajarse en Anatolia hacia el tercer milenio a. C.. Este mineral requiere altas temperaturas para su fundicion y moldeado, para ser asi es mas maleable , duro y resistente que el cobre. Algunas tecnicas usadas en la antiguedad fueron el moldeo a la cera perdida , la soldadura o el templado del acero . Las primeras fundiciones conocidas empezaron en China en el siglo I a. C., pero no llegaron a Europa hasta el siglo  XIII , cuando aparecieron los primeros altos hornos .

El empleo de los metales se debio, inicialmente, a la necesidad que se creo el hombre de utilizar objetos de prestigio y ostentacion (adornos de cobre), para, posteriormente, pasar a sustituir sus herramientas de piedra, hueso y madera por otras mucho mas resistentes al calor y al frio (hechas en bronce y, sobre todo, hierro). Los utensilios elaborados con metales fueron muy variados: armas, herramientas, vasijas, adornos personales, domesticos y religiosos. El uso de los metales repercutio, a partir de la generalizacion del hierro, de diversas formas en la conformacion de la civilizacion humana:

  • Se intensifico la produccion agropecuaria.
  • El trabajo se especializo y diversifico.
  • Aumentaron los intercambios.
  • Se institucionalizo la guerra.

En la Edad Media la metalurgia estaba muy ligada a las tecnicas de purificacion de metales preciosos y la acunacion de moneda.

El metal y sus aleaciones [ editar ]

Vertido de bronce en un molde

Los metales mas comunes en ingenieria son el aluminio , el cromo , el cobre , el hierro , el magnesio , el niquel , el titanio , el zinc y el silicio . Estos metales se utilizan con mayor frecuencia como aleaciones, con la notable excepcion del silicio.

Se ha hecho un gran esfuerzo por comprender el sistema de aleaciones hierro-carbono, que incluye el acero y el hierro fundido . Aceros al carbono (los que contienen esencialmente solo carbono como elemento de aleacion) se utilizan en aplicaciones de bajo coste y alta resistencia, donde ni el peso ni la corrosion son una preocupacion importante. Las fundiciones, incluida la fundicion ductil , tambien forman parte del sistema hierro-carbono. Las aleaciones de hierro-manganeso-cromo (aceros tipo Hadfield) tambien se utilizan en aplicaciones no magneticas, como la perforacion direccional.

El acero inoxidable , en particular el aceros inoxidables austeniticos , el acero galvanizado , aleaciones de niquel , aleacion de titanio , u ocasionalmente aleaciones de cobre se utilizan, cuando la resistencia a la corrosion es importante.

Las aleaciones de aluminio y las aleaciones de magnesio se utilizan habitualmente cuando se requiere una pieza ligera y resistente, como en las aplicaciones de automocion y aeroespaciales.

Las aleaciones de cobre-niquel (como el Monel ) se utilizan en entornos altamente corrosivos y para aplicaciones no magneticas.

Las superaleaciones basadas en el niquel, como el Inconel , se utilizan en aplicaciones de alta temperatura, como turbinas de gas , turbocompresores , recipientes a presion e intercambiadores de calor .

En el caso de temperaturas extremadamente altas, se utilizan aleaciones de monocristal para minimizar el descenso . En la electronica moderna, el silicio monocristalino de alta pureza es esencial para los transistores metal-oxido-silicio y los circuitos integrados .

Metalurgia extractiva [ editar ]

Produccion de acero en una siderurgica.

La metalurgia extractiva es el area de la metalurgia en donde se estudian y aplican operaciones y procesos para el tratamiento de minerales o materiales que contengan una especie util ( oro , plata , cobre , etc.), dependiendo el producto que se quiera obtener, se realizaran distintos metodos de tratamiento.

Es la practica que consiste en extraer los metales valiosos de un mineral y refinar los metales en bruto extraidos en una forma mas pura. Para convertir un oxido metalico o sulfuro en un metal mas puro, el mineral debe ser reducido fisicamente, quimicamente o electrolitico . Los metalurgicos extractivos se interesan por tres flujos primarios: alimentacion, concentrado (oxido/sulfuro de metal) y relaves . (residuos).

Tras la extraccion, los grandes trozos de la alimentacion de mineral se rompen mediante trituracion o molienda para obtener particulas lo suficientemente pequenas, en las que cada particula es mayoritariamente valiosa o mayoritariamente residuo. La concentracion de las particulas de valor en una forma que admita la separacion permite extraer el metal deseado de los residuos.

La extraccion puede no ser necesaria si el yacimiento y el entorno fisico son propicios para la lixiviacion . Por medio de la lixiviacion se disuelven los minerales de un yacimiento y da lugar a una solucion enriquecida. La solucion se recoge y se procesa para extraer los metales valiosos. Los yacimientos minerales suelen contener mas de un metal valioso.

Los relaves de un proceso anterior pueden utilizarse como alimentacion en otro proceso para extraer un producto secundario del mineral original. Ademas, un concentrado puede contener mas de un metal valioso. Ese concentrado se procesaria para separar los metales valiosos en componentes individuales.

Objetivos de la metalurgia extractiva [ editar ]

  • Utilizar procesos y operaciones.
  • Alcanzar la mayor eficiencia posible.
  • Obtener altas recuperaciones (especie de valor en productos de maxima pureza).
  • No causar dano al medio ambiente.

Etapas de la metalurgia extractiva [ editar ]

  1. Transporte y almacenamiento.
  2. Conminucion.
  3. Clasificacion.
  4. Separacion del metal de la ganga .
  5. Purificacion y refinacion. [ 1 ] ​

Metalurgia de polvos [ editar ]

Se define como la tecnica de produccion de polvos de un metal para poder emplearlos en la elaboracion de objetos utiles. Los primeros en utilizar esta tecnica fueron los egipcios desde el ano 3000 a. C. en la produccion de utensilios de hierro.

El termino pulvimetalurgia se utiliza ampliamente en la literatura y la practica tecnica, no obstante, no es una metalurgia independiente , sino una tecnica - altamente explosiva para atomizar metales y aleaciones fundidos en estado liquido hasta convertirlos en polvo o para convertirlos desde el estado solido en granulos finos. En los molinos de polvo , la mayoria de los metales utiles - desde el aluminio hasta el zinc - pueden ser molidos en polvos con tamanos de grano de 0,1 a 500  μm . Debido al riesgo de explosion que presentan todos los polvos metalicos, de diferente potencial de riesgo, cuando entran en contacto con el oxigeno atmosferico, se realiza la inertizacion o flegmatizacion . Los estabilizadores, que van desde la cera hasta el ester del acido ftalico|los ftalatos]], reducen la sensibilidad a la explosion. El polvo de magnesio es un caso especial debido a su comportamiento altamente piroforico . No puede obtenerse por molienda, sino solo por "frotamiento" a partir del metal del lingote.

Los polvos metalicos, en este caso correctamente denominados "pigmentos inorganicos", son importantes como componente de la lacas metalicas en los automoviles. Un campo de aplicacion completamente diferente es el prensado en moldes de acero a muy alta presion (2000  bar y mas). A partir de polvos metalicos puros prensados de este modo, mas a menudo mezclas tipo aleacion, se pueden producir piezas metalicas moldeadas (proceso MIM, proceso SLM). En el prensado isostatico en caliente, al que precede el calentamiento de los polvos hasta el punto de reblandecimiento, se consiguen las propiedades de las piezas de fundicion.

La produccion de piezas dificiles de fundir o costosas de fabricar a partir de un solido tiene un enfoque diferente al utilizar el proceso de impresion 3D . Esta tecnologia, conocida en si misma desde hace anos, ha avanzado hasta el punto de que las piezas metalicas en serie para usos tecnicamente exigentes se construyen (inyectan) capa a capa, hasta la forma especificada por el ordenador en las impresoras 3D. [ 20 ] ​

En la fabricacion de moldes y modelos, se utiliza la pulverizacion de polvo con llama. En este proceso, el polvo metalico se ablanda mediante una llama, o mediante plasma pulverizacion de plasma . La ventaja reside en la posible produccion a corto plazo de herramientas - moldes - para proyectos piloto en la construccion de maquinas y herramientas ( industria del automovil ).

Procesos de metalurgia de polvos [ editar ]

Como principales procesos se tienen el compactado y sinterizado. El compactado consiste en preparar adecuadamente mezclas de polvos, a temperatura ambiente o a temperatura elevada y a una presion considerablemente alta. Se obtiene un comprimido manipulable, pero relativamente fragil, al que se le llamara aglomerado verde. [ 21 ] ​ El sinterizado es la operacion donde el aglomerado verde es expuesto a una fuente de calor inferior al punto de fusion del metal en atmosferas inertes. Este proceso le otorga las resistencias mecanicas que se requieren.

Aplicaciones de la metalurgia de polvos [ editar ]

Se pueden aplicar en la elaboracion de metales compuestos, combinaciones de metales-no metales, metales refractarios. Por ejemplo: magnetos, filtros de metal, escobillas para motor.

Produccion [ editar ]

En la ingenieria de produccion , la metalurgia se ocupa de la produccion de componentes metalicos para su uso en productos de consumo o de ingenieria. Esto implica la produccion de aleaciones, el moldeado, el tratamiento termico y el tratamiento de la superficie del producto.

La determinacion de la dureza del metal mediante las escalas de dureza Rockwell, Vickers y Brinell es una practica comun que ayuda a comprender mejor la elasticidad y plasticidad del metal para diferentes aplicaciones y procesos de produccion. [ 22 ] ​

La tarea del metalurgico es lograr el equilibrio entre las propiedades del material, como el coste , el peso , la resistencia , la tenacidad, la dureza , la corrosion , la resistencia a la fatiga y el rendimiento en temperaturas extremas. Para lograr este objetivo, hay que tener muy en cuenta el entorno de funcionamiento.

En un entorno de agua salada, la mayoria de los metales ferrosos y algunas aleaciones no ferrosas se corroen rapidamente. Los metales expuestos a condiciones frias o criogenicas pueden sufrir una transicion de ductil a fragil y perder su tenacidad, volviendose mas fragiles y propensos al agrietamiento. Los metales sometidos a cargas ciclicas continuas pueden sufrir fatiga metalica . Los metales sometidos a esfuerzos constantes a temperaturas elevadas pueden sufrir fluencia .

Caracterizacion [ editar ]

La metalografia permite al metalurgico estudiar la microestructura de los metales.

Los metalurgicos estudian la estructura microscopica y macroscopica de los metales utilizando la metalografia , una tecnica inventada por Henry Clifton Sorby .

En la metalografia, una aleacion de interes se muele en plano y se pule hasta conseguir un acabado de espejo. A continuacion, la muestra puede grabarse para revelar la microestructura y la macroestructura del metal. La muestra se examina entonces en un microscopio optico o electronico , y el contraste de la imagen proporciona detalles sobre la composicion, las propiedades mecanicas y el historial de procesamiento.

La cristalografia , que a menudo utiliza la difraccion de rayos X o electrones , es otra valiosa herramienta de la que dispone el metalurgico moderno. La cristalografia permite identificar materiales desconocidos y revela la estructura cristalina de la muestra. La cristalografia cuantitativa puede utilizarse para calcular la cantidad de fases presentes, asi como el grado de deformacion al que se ha sometido una muestra.

Procesos metalurgicos [ editar ]

La fundicion , del pintor Adolph von Menzel , decada de 1870.

Los procesos metalurgicos comprenden las siguientes fases:

  • La concentracion de minerales , donde se elimina la mayor parte de la ganga, elevando sustancialmente la mena que contiene el metal(es) a partir del mineral que lo contiene en estado natural;
  • El afino , enriquecimiento o purificacion: eliminacion de las impurezas que quedan en el metal;
  • Elaboracion de aleaciones;
  • Otros tratamientos del metal para facilitar su uso.

Operaciones basicas de obtencion de metales:

Dependiendo el producto que se quiera obtener, se realizaran distintos metodos de tratamiento. Uno de los tratamientos mas comunes es la mena, consiste en la separacion de los materiales de desecho. Normalmente entre el metal esta mezclado con otros materiales como arcilla y silicatos, a esto se le suele denominar ganga .

Uno de los metodos mas usuales es el de la flotacion que consiste en moler la mena y mezclarla con agua, aceite y detergente. Al batir esta mezcla liquida se produce una espuma que, con ayuda de la distinta densidad que proporciona el aceite va a ir arrastrando hacia la superficie las particulas de mineral y dejando en el fondo la ganga.

Otra forma de flotacion puede emplearse en la separacion de minerales ferromagneticos, utilizando imanes que atraen las particulas de mineral y dejando intacta la ganga.

Otro sistema de extraccion de la mena es la amalgama formada con la aleacion de mercurio con otro metal o metales. Se disuelve la plata o el oro contenido en la mena para formar una amalgama liquida, que se separa con facilidad del resto. Despues el metal de oro y plata se purifican eliminando el mercurio mediante la destilacion . [ 23 ] ​

Vease tambien [ editar ]

Referencias [ editar ]

  1. ↑ a b Mario, GRAU RIOS; Eugenio, MUNOZ CAMACHO (18 de abril de 2013). Ingenieria quimica . Editorial UNED. ISBN   9788436266429 . Consultado el 24 de octubre de 2019 .  
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  8. ↑ E. Photos, E. (2010). ≪The Question of Meteoritic versus Smelted Nickel-Rich Iron: Archaeological Evidence and Experimental Results≫ . World Archaeology 20 (3): 403-421. JSTOR   124562 . doi : 10.1080/00438243.1989.9980081 . Archivado desde el original el 22 de diciembre de 2015 . Consultado el 14 de junio de 2021 .  
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