introduccion a la metalurgia

UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE FACULTAD DE INGENIERA

INTRODUCCIN A LA

METALURGIA

2003

DEPARTAMENTO DE

INGENIERA METALRGICA

I N D I C E NOTA DEL EDITOR 3

CAPTULO1. QUE ES LA METALURGIA? 5

CAPTULO2. LA METALURGIA O LA CIENCIA Y EL ARTE DE LOS METALES 13

CAPTULO3. RESEA Y EVOLUCIN HISTRICA 21

CAPTULO4. PROCEDENCIA DE LOS METALES (SERGIO RIVAS) 28

CAPTULO5. ELECTRONES, ATOMOS, METALES Y ALEACIONES 35

CAPTULO6. ALEACIONES A BASE DE FIERRO Y CARBONO 47

CAPTULO7. SIDERURGIA (revisado por JORGE MANRQUEZ) 53

CAPTULO8. FABRICACIN DE ACERO (revisado por JORGE MANRQUEZ) 66

CAPTULO9. REDUCCIN DIRECTA DE MINERALES DE FIERRO COMO ALTERNATIVA

AL PROCESO EN EL ALTO HORNO 93

CAPTULO10. COMPAA DE ACEROS DEL PACIFICO 99

CAPTULO11. SIDERURGIA GERDAU AZA 122

CAPTULO12. PROCESAMIENTO DE MINERALES (LUIS MAGN) 125

CAPTULO13. PIROMETALURGIA DEL COBRE (RENE BUSTAMANTE) 140

CAPTULO14. HIDROMETALURGIA (JAIME SIMPSON) 188

CAPTULO15. ELECTROMETALURGIA (CRISTIAN VARGAS) 202

CAPTULO16. ELECTROLISIS DE MATA Y METAL BLANCO 214

CAPTULO17. METALURGIA ADAPTIVA 217

CAPTULO18. SLIDOS CRISTALINOS (RAL RAMREZ) 221

CAPTULO19. SOLIDIFICACIN (revisado por OSCAR BUSTOS) 237

CAPTULO20. DIAGRAMAS DE EQUILIBRIO (RAL RAMREZ) 249

CAPTULO21. FUNDICIN DE PIEZAS (revisado por OSCAR BUSTOS) 264

CAPTULO22. PULVIMETALURGIA (revisado por STELLA ORDEZ) 277

CAPTULO23. COMPORTAMIENTO MECNICO DE SLIDOS (revisado por ALBERTO MONSALVE) 289

CAPTULO24. CONFORMADO PLSTICO (revisado por ALBERTO MONSALVE) 306

CAPTULO25. TRATAMIENTOS TRMICOS (RAL RAMREZ) 322

CAPTULO26. SOLDADURA (MAURICIO IBARRA) 340

CAPTULO27. CORROSIN DE METALES (revisado por GERARDO CIFUENTES) 359

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NOTA DEL EDITOR

Este CD contiene la versin digitalizada de un apunte que es una recopilacin y sistematizacin de material didctico que cubre lo esencial y bsico del campo de la Ingeniera Metalrgica. Naci como consecuencia de la experiencia que tuvo como profesor en las primeras veces que se dict la asignatura Introduccin a la Metalurgia el que suscribe. Se dise con el objetivo de dar un conocimiento elemental y descriptivo de las reas del conocimiento que corresponden hoy en da a la Ingeniera Metalrgica. La primera edicin de este apunte no fue ms que la recopilacin de un compendio que se entregaba de clase en clase al comienzo de la dcada del 70. Eran hojas mimeografiadas y dibujos en hojas stencils. Los apuntes se fueron mejorando gracias a las correcciones propuestas por cada uno de los profesores especialistas en los distintos temas. As en 1980 surgi una nueva versin bastante corregida y mejorada en la presentacin de los dibujos y fotografas gracias a la fotocopia y la reproduccin off-set en la central de reproducciones grficas de la Facultad de Ingeniera, versin que se haba venido copiando sin mayor revisin hasta 1990. La presente edicin es consecuencia de una revisin ms profunda, especialmente en cuanto a los avances de los procesos en uso hoy en da en la Metalurgia Extractiva del Cobre y del Hierro. Especial impacto ha tenido en ello la demanda por una mayor conservacin del medio ambiente. A nadie escapa que las faenas mineras y metalrgicas estn entre las que potencialmente pueden modificar ms el ambiente. Solamente en Chile, se estima que para producir una tonelada de cobre metlico como producto final, se producen alrededor de 350 toneladas de estril, 150 toneladas de mineral de demasiada baja ley, 66 toneladas de colas, 57 toneladas de residuos de lixiviacin y 0.8 toneladas de escoria y para que hablar de los posibles residuos gaseosos txicos y contaminacin de aguas residuales. Esto ha llevado al concepto de desarrollo sustentable que implica minimizar el uso de la energa, materiales y del impacto ambiental y maximizar la satisfaccin social. Ello significa definir claramente las fuentes energticas a utilizar, teniendo en cuenta su impacto ambiental, su uso y distribucin. Planificar en forma adecuada la extraccin, procesamiento y manufactura de los materiales, recuperar los subproductos, reciclar cuando sea factible y disear sistemas alternativos de sustitucin de materiales. No debemos olvidar que toda produccin industrial tiene un impacto ambiental y por de pronto ste es inherente al ser humano. Sin embargo la sociedad necesita asegurarse una produccin de minerales y metales para la industria minero-metalrgica, el desafo es entonces mayor al incrementar los niveles de produccin de estos materiales. Hacemos corrientemente una diferencia entre Tecnologas Limpias y Tecnologas de Limpieza. La ltima ataca fundamentalmente los efluentes para disminuir los efectos

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finales (tecnologa end-of-pipe), mientras que la primera ataca las causas y es por ello una tecnologa innovadora que significa muchas veces repensar completamente un proceso de produccin. El editor quiere dejar constancia de sus especiales agradecimientos a los colegas Ral Ramrez, Ren Bustamante; Jorge Manrquez, Luis Magn, Gerardo Cifuentes, Mauricio Ibarra, Jaime Simpson, Oscar Bustos, Stella Ordez y Alberto Monsalve por la colaboracin en esta versin y la confeccin de los captulos de su especializacin en la presente versin. Se agradece adems la colaboracin de lvaro Parada, Marcela Daz y Paulina Guajardo sin cuyo concurso la primera versin electrnica computacional habra sido un drama mayor para este editor. Quiero dejar constancia en forma especial la valiosa contribucin desinteresada efectuada por la colega y profesora Stella Ordez al revisar, corregir y mejorar con tanta paciencia y esmero esta nueva versin electrnica computacional del apunte. Prof. Bernd Schulz E. Editor 2003

Departamento de Ingeniera Metalrgica Universidad de Santiago de Chile

Captulo1: Qu es la Metalurgia? 5

CAPTULO 1: QUE ES LA METALURGIA? La Metalurgia es una Ciencia Nueva! Quien lo habra credo unos aos atrs? Desde siempre la Metalurgia haba sido considerada como una simple tcnica peligrosa y sucia, indigna de los intelectuales y de las refinadas elegancias. Sin embargo, Vulcano, tuerto, cojo, deforme y repulsivo, era el esposo de Venus; los griegos rendan un gran homenaje al dios artesano del fuego y del metal. La poca moderna ha puesto a la Metalurgia en el sitial que le corresponde entre las dems ciencias. Hoy en da Vulcano vestira bata blanca.* *(Traduccin del prlogo de "An Introduction to Metallurgy", A.H. Cottrell, St. Martins Press 1967).

1.1 EL ARTE Y LA CIENCIA DE LOS METALES La Metalurgia es el Arte y la Ciencia de producir metales y aleaciones con formas y propiedades adecuadas para el uso. La mayora de la gente la conoce slo como un arte antiguo y misterioso. Es cierto que tuvo su importancia en la historia antigua, sacndonos de la edad de piedra hacia la edad del bronce y luego a la edad del hierro. La conversin, aparentemente milagrosa, de tierras opacas a metales brillantes era la esencia del misterio alqumico; no haba ciencia de los metales para racionalizar e iluminar el mundo medieval de la frmula secreta para templar los metales y combinar las aleaciones. Algo de este aire de misterio an cubre la Metalurgia hoy en da. Ninguna nave espacial en ciencia ficcin es respetable sin su propio secreto "Metal Maravilloso". Este misterio puede ser un legado del pasado, pero tambin es un reconocimiento inconsciente de los muchos logros del metalurgista moderno en la produccin de nuevos metales y aleaciones para turbinas a propulsin a chorro, reactores nucleares, circuitos electrnicos y otras partes de avanzada de Ingeniera. Estos xitos no son productos de una vieja magia negra, sino que la aplicacin lgica de principios cientficos. La Metalurgia es ahora una ciencia aplicada, disciplina basada en un entendimiento claro de la estructura y propiedades de metales y aleaciones. El misterio de los modernos "Metales Mticos", es consecuencia del simple hecho que esta ciencia es demasiado nueva como para haberse filtrado hacia los niveles ms elementales de la educacin cientfica.



1.2 METALURGIA QUMICA La parte ms conocida de esta materia es la Metalurgia Qumica. Ella trata de todas las propiedades qumicas de los metales, incluyendo la unificacin de los diferentes metales entre s, para formar aleaciones, pero una parte muy grande de ella concierne a las reacciones oxidacin-reduccin de metales por dos razones prcticas. Primero, la mayora de los metales en la naturaleza se encuentran como xidos, sulfuros, cloruros, carbonatos, etc., y el paso crtico en convertir estos minerales en metales, i.e. en Metalurgia Extractiva es un proceso de reduccin qumica. Las reacciones qumicas bsicas del caso son a menudo simples; el desafo cientfico en esta parte de la materia es lograr que estas reacciones se produzcan econmicamente en escala masiva. Segundo, cuando el pedazo de metal terminado va a ser puesto en servicio y es expuesto al medio ambiente, estas mismas reacciones qumicas tienden a ocurrir espontneamente a la inversa. El metal se invierte del estado metlico al estado oxidado, en otras palabras, se oxida o corroe. La labor principal del Metalurgista Qumico es as llevar los metales a su estado metlico y luego mantenerlos ah. Los orgenes de la Metalurgia Extractiva se remontan hacia la pre-historia. Los primeros descubrimientos deben haberse hecho accidentalmente en los fuegos de campamentos y fogones donde piedras de minerales metlicos fcilmente reducibles pudieron ser convertidos a metal por el calor y las llamas reductoras. El cobre, plomo y estao estaban entre los primeros metales por esos procesos de fusin, ms de 5.000 aos atrs. No mucho despus se hizo la aleacin bronce, usualmente 10 partes de cobre a una de estao, por fusin de una mezcla de minerales de ambos metales y fue muy preciada por su gran dureza y porque cuando se licuaba poda ser fundida fcilmente en formas complicadas por solidificacin en cavidades pre-formadas en arcilla o moldes de arena. Los primeros latones tambin fueron desarrollados por fusin de mezclas de minerales de cobre y zinc. El mtodo moderno de hacer aleaciones se desarroll posteriormente. Los minerales de fierro tambin son fcilmente reducidos pero el alto punto de fusin de este metal no permiti producirlo en forma lquida. En vez de esto se produjo una mezcla pastosa, porosa de hierro-esponja mezclado con escoria, sta se compactaba mientras estaba caliente y blanda, mediante golpes o forjado con martillo, haciendo algo as como hierro forjado. La necesidad de obtener ms altas temperaturas para lograr una mayor produccin condujo de la evolucin del fogn hacia el alto horno, con un chifln de aire dirigido hacia la zona caliente, encima del fogn y sobre el cual hay una especie de chimenea cerrada, por la cual desciende el mineral y el combustible carbn vegetal. Un gran avance ocurri en el siglo XIX. Se alcanzaron temperaturas suficientemente altas como para producir hierro lquido. El alto horno pudo entonces ser operado en forma continua, siendo "sangrado" peridicamente para dejar escurrir la cantidad de hierro lquido que se haba juntado sobre el piso del horno, esto aument enormemente la produccin. El arrabio lquido (pig iron) producido de este modo contena aproximadamente 4% en peso de carbono disuelto, que provena del combustible del horno, este carbono disminuye enormemente el punto de fusin del hierro y permite que el metal sea fcilmente vuelto a



licuar y colado en moldes. Este hierro fundido, sin embargo, era muy frgil, debido al carbono, que forma lminas de grafito y un carburo de fierro, y otras impurezas, y as no puede ser usado para lo mismo que el hierro esponja forjado. El problema de convertir arrabio a una forma dctil por eliminacin del carbono fue resuelto por CORT en el siglo XVIII con el "Proceso de Pudelado" para hacer hierro forjado. Estas dos formas de hierro, forjado y fundido, fueron los materiales ferrosos de construccin por excelencia hasta fines del siglo XIX. El delicado control del carbono necesario para producir "Hierro Dulce" (aprox. 0,25% de carbono) estaba ms all de los alcances de la Metalurgia de aquellos das. Pero, tambin se haca un tipo de "acero de herramientas" para espadas y utensilios de corte, que contena alrededor de 1% de carbono y que poda ser endurecido por "templado", enfrindolo bruscamente en agua despus de calentado al rojo, y era hecho en aquellos tiempos por el proceso de "cementacin" en el cual el hierro esponja forjado se calentaba en carbn vegetal, en 1740, Huntsmsn hizo acero de herramientas fundiendo fierros de diferente contenido de carbono en un crisol, lo que fund la industria de cuchillera de Sheffield. Pero el descubrimiento del acero barato de bajo carbono que puede hacerse en gran escala para propsitos de construccin, no lleg hasta mediados del siglo XIX, cuando Bessemer invent el proceso de convertidor. A esto sigui en un par de aos el proceso de fabricacin de acero Siemens-Martin que permita fabricar aceros a partir de chatarra, as se haba iniciado la era moderna del acero. La electricidad juega un papel importante en muchos procesos modernos de extraccin. El paso decisivo fue el proceso Hall-Hroult para la produccin comercial de aluminio, anunciado en 1886. Muchos otros metales tales como magnesio, sodio y calcio, tambin son ahora usados para producir los metales "modernos" tales como titanio, zirconio, uranio y niobio. La ciencia de la Metalurgia Extractiva se desarrolla rpidamente en los aos recientes, con la aplicacin de la termodinmica y la teora de cintica de reaccin a sus problemas. La termodinmica de las reacciones metalrgicas est ahora bien establecida, pero hay an muchas oportunidades para ms avances, tanto cientficos como tecnolgicos, en el estudio y control de la cintica de reaccin. Muchos de los procesos ms nuevos de extraccin tales como el proceso de fabricacin de acero al oxgeno, tostacin flash, refinacin spray y el proceso de alto horno del zinc, dependen crticamente de la cintica de reaccin. 1.3. METALURGIA MECNICA La Metalurgia es una rama de una materia ms amplia, conocida como "Ciencia de los Materiales e Ingeniera", que se preocupa de todos los materiales como ser metales, cermica, vidrios, plsticos orgnicos y polmeros, madera y piedra. La razn porque la Metalurgia se destaca por s sola como una materia tan amplia y de contenido autosuficiente es, obviamente, debido a la importancia extraordinaria de los



metales como materiales de construccin. Nuestra sociedad como la conocemos seria totalmente imposible sin metales. La produccin de metales y bienes metlicos representa ms o menos un quinto de la produccin bruta nacional en un pas industrial moderno. Los metales deben su importancia a sus propiedades mecnicas nicas, la combinacin de alta resistencia con posibilidad de cambiar su forma plsticamente (ductibilidad y maleabilidad). Esta plasticidad permite conformarlos, por ejemplo, a barras, latas de conservas, carrocera de automviles, etc., por procesos de elaboracin plstica de materiales tales como prensado, embutidos, laminado y forja. An ms importante, esta misma plasticidad le da a los metales resistentes la extraordinaria tenacidad que es la habilidad para resistir todos los golpes y choques del largo y duro servicio sin que se quiebren o desmoronen. Metalurgia Mecnica trata de todos estos aspectos, en particular con la elaboracin plstica de metales, el ensayo de propiedades mecnicas, las relaciones entre estas propiedades y el diseo de Ingeniera, las relaciones de materiales y el comportamiento de metales en servicio. Es la parte ms antigua de la Metalurgia. Los primeros metales conocidos, cobre, plata, oro se encontraron en forma nativa, como pepitas metlicas. Los meteoritos fueron una fuente de aleaciones hierro-nquel. Todos estos metales encontrados en forma natural son maleables y desde los primeros tiempos fueron conformados a ornamentos, herramientas y armas por martillado. La forja de metales se estableci ampliamente una vez que la Metalurgia Extractiva empez a proveer cobre, bronce, hierro esponja y otros metales en mayor cantidad. Los romanos hicieron uso extenso de lminas y caeras de plomo en los sistemas de suministro de agua. El acuado marcado de un relieve en una superficie metlica con un punzn y un dado, fue desarrollado tempranamente. Las ventajas de la elaboracin plsticas de metales a varias temperaturas tambin fue reconocido, el trabajo en fro, debido a que aument la dureza y resistencia de los metales tales como el cobre y el hierro; trabajo en caliente, particularmente del hierro esponja, debido a que los metales resultaban ser mucho ms blandos y maleables a altas temperaturas y tambin porque podran ser unidos por soldadura a presin al ser martillados uno sobre el otro en caliente. El trabajo mecnico de metales permaneci por varios siglos en gran parte, como una industria artesanal, tipificada por la forja del herrero. La necesidad por partes forjadas ms grandes y el uso de la potencia del vapor condujo al martinete y a la prensa de forja. Un desarrollo de importancia fue el laminador, cuyo uso se extendi en el siglo XVIII. Otros procesos, tales como trefilacin, maquinado, y extrusin, tambin se desarrollaron y muchos procesos nuevos, incluyendo la forja en fro de acero usando lubricantes a alta presin y el conformado explosivo en el cual el metal es proyectado contra la matriz por la fuerza de una explosin. El conformado hidrosttico en el cual se trabaja mientras est sometido a una gran presin hidrosttica para evitar fractura, parece abrir una fase totalmente nueva en Metalurgia Mecnica permitiendo el trabajo de metales y aleaciones ms frgiles. La ciencia de la Metalurgia Mecnica consiste de tres partes principales y relacionadas. Primero, las propiedades mecnicas bsicas tienen que ser explicadas desde una teora atmica de metales, anlogas a la teora cintica de los gases. Aqu se le une la Metalurgia Mecnica con la Metalurgia Fsica. Luego, partiendo de estas propiedades bsicas, el



comportamiento de los metales tiene que ser entendido y controlado. El ataque de este problema ha dado lugar a una nueva rama de la mecnica aplicada, la teora de la elasticidad. Tercero, nuevamente en trminos de propiedades bsicas, el comportamiento mecnico de los metales en el servicio tiene que ser entendido y mejorado para evitar fallas, debido a deformacin plstica, fractura frgil, fatiga, etc., y proveer una base racional para el diseo de Ingeniera y el eficiente y seguro uso de los materiales. Este es ahora un campo de mucha actividad. 1.4. METALURGIA FSICA Pocas cosas de la naturaleza parecen ms inanimadas que un pedazo de metal. El observador solo ve su propio reflejo en la superficie brillante y quieta y nada del mundo interno. Este mundo interno, sin embargo, es un lugar de actividad incesante. Los electrones disparan de un lado al otro a inmensa velocidad. Los tomos mismos tambin se mueven e intercambian lugares, an cuando el metal est completamente slido. Los cambios de temperatura pueden hacer que los tomos se reubiquen de improviso, tomando una forma radicalmente diferente de organizacin. En un acero templado esto puede ocurrir en un par de microsegundos, an a temperaturas muy por debajo de la ambiente. Deformacin plstica ocurre por el paso de defectos cristalinos, llamados dislocaciones, que se mueven a alta velocidad a travs del metal y ocasionan deslizamientos visibles entre masas enormes de tomos. El trfico de dislocaciones puede llegar a ser muy denso. Se forman inmensos tacos de trfico, que hacen que las dislocaciones no puedan moverse y el metal se endurece. Cuando este metal "endurecido por trabajo" es calentado (recocido) se libera de estas dislocaciones en una ola de reorganizacin del ordenamiento atmico (recristalizacin). Ordenamientos atmicos completamente nuevos pueden ser producidos por aleacin y estos a su vez pueden ser cambiados por tratamientos trmicos. Por ejemplo, cuando una aleacin de aluminio se mantiene a temperatura ambiente, despus de templada, sus tomos de aleacin se mueven a travs del slido para agruparse en pequeos aglomerados, como gotitas de agua en la neblina, estos aglomerados endurecen el metal para dificultar el paso de las dislocaciones (endurecimiento por precipitacin). El estudio de todos estos efectos pertenece a la Metalurgia Fsica, la parte que trata de la estructura de los metales y aleaciones, con el objeto de disear y producir aquellas estructuras que dan las mejores propiedades. La Metalurgia Fsica tiene conexiones obvias con Metalurgia Mecnica, pero tambin tiene conexiones estrechas con Metalurgia Qumica, particularmente en conexin con la fundicin de metales, la preparacin de aleaciones, corrosin y los muchos efectos de las impurezas sobre las estructuras y propiedades de metales y aleaciones. Es la parte ms nueva de Metalurgia, aunque los procesos de templado y revenido, endurecimiento por trabajo, recocido y aleacin, ya se descubrieron y usaron de un modo completamente emprico, en los tiempos antiguos. Intentos llenos de imaginacin para construir una teora de metales, incluyendo las ideas esenciales que los slidos pueden ser cristalinos, o sea, que tienen sus tomos tomando una configuracin ordenada, fueron



hechas en el siglo XVII y XVIII. Sin embargo, no haba modo de probar estas ideas experimentalmente en aquellos tiempos y la mayora de los cientficos preferan trabajar en campos tales como mecnica, astronoma, electricidad y qumica donde el progreso era ms fcil. As se desarroll la ciencia en la forma clsica como la conocemos por la historia. Un descubrimiento trascendental para la Metalurgia Fsica, fue desarrollado por Sorby, en la segunda parte del siglo XIX, la tcnica metalogrfica para la observacin de estructuras de metales y aleaciones con un microscopio ptico de reflexin. La gran barrera del brillo superficial fue penetrada finalmente, por un proceso de pulido y ataque qumico para revelar la estructura interna. Se vio entonces la estructura granular de los metales, un ensamble de cristales diminutos entrelazados. Se observaron grandes cambios en la microestructura debido a aleacin, trabajo y tratamiento trmico. Las ideas acerca de la naturaleza de estos cambios se agudizaron rpidamente una vez que fue posible interpretar estas observaciones. Aproximadamente en el mismo tiempo, la teora de la termodinmica fue clarificando lo que suceda cuando se mezclan diferentes sustancias y esto permiti estudiar las aleaciones cientficamente. La combinacin de la investigacin sistemtica en aleaciones mediante microscopia ptica abrieron muchas de las puertas hacia la Metalurgia Fsica. Los efectos del carbono en el acero pueden ser entendidos en buena medida, tanto como los procesos de endurecimiento por temple y revenido, las estructuras y propiedades de las primeras aleaciones, tales como bronce y latones, pudieron ser racionalizadas, y por fin se tena un mtodo para el desarrollo sistemtico de aleaciones diseadas deliberadamente para tener ciertas propiedades. El microscopio metalrgico an es el mismo instrumento ms til de uso general con que cuenta el metalurgista fsico. No se pudo por cierto, dar prueba directa del ordenamiento atmico cristalino en los metales, aunque dej poco lugar para dudas. La prueba directa tuvo que aguardar hasta el descubrimiento del mtodo de Difraccin de Rayos X, cuya aplicacin introdujo la segunda fase de importancia de Metalurgia Fsica en 1920. Tambin se prepararon monocristales de metales, en ese tiempo, y sus propiedades mecnicas explicaron buena parte de los procesos de deformacin plstica. Los prximos grandes avances fueron tericos. A principios de 1930 la teora cuntica de electrones y tomos haba llegado a ser suficientemente poderosa como para prever una teora real del estado metlico, que poda explicar en que consiste realmente un metal y como conduce la electricidad. Las fuerzas que mantiene juntos a los tomos pudieron entonces ser entendidas y se inici la teora de las aleaciones. Se vio que la corrosin es (y demostrada experimentalmente) tanto un proceso elctrico como qumico y la movilidad de tomos en metales fue explicada en trmino de ciertos defectos bien definidos en la estructura cristalina (dislocaciones y vacancias). La metalurgia terica fue forzada an ms lejos en los aos inmediatamente despus de la segunda guerra mundial por la necesidad de desarrollar metales y aleaciones que pudieran resistir altas temperaturas para turbinas a reaccin, o aquellas que pudieran resistir radiacin nuclear daina en reactores nucleares y la demanda de materiales especiales a usarse en la industria elctrica. An ms recientemente, los experimentos han vuelto a tomar delantera debido al desarrollo del extremadamente poderoso microscopio



electrnico y tcnicas de microscopia de campo inico, que permite observar la estructura de los metales a escala atmica. El estudio de dislocaciones y estructuras atmicas en metales ha llegado a ser principalmente una ciencia experimental. Los innumerables avances que han ocurrido en el campo de la ciencia bsica de los metales en los aos recientes han dejado el considerable problema de dirigirlos todos y convertirlos en un avance correspondiente en las ciencias aplicadas. No obstante, ahora podemos ver claramente como disear las microestructuras de metales y aleaciones de modo de desarrollar las propiedades bsicas para los mejores efectos. Algunas de las nuevas micro-estructuras propuestas son muy diferentes de las tradicionales y hay un gran desafo tecnolgico para llevarlos a cabo en gran escala comercialmente. En cuanto a la ciencia bsica hay an muchas reas en las que quedan problemas fundamentales que tienen particularmente que ver con la teora de aleaciones, con metales lquidos y con las propiedades mecnicas ms complejas tales como fatiga de metales. 1.5. CIENCIA METALRGICA E INDUSTRIA Hoy en da la Metalurgia es una ciencia aplicada. Su fascinacin reside en el desafo de usar la ciencia para dar a la humanidad los mejores materiales de Ingeniera que permitan las leyes de la naturaleza y los recursos naturales a disposicin del hombre. A menudo, este simple hecho no es considerado o es olvidado. Esto se debe en parte al hecho que por miles de aos la Metalurgia Industrial fue un acto emprico en el cual la "manera correcta" de hacer las cosas se aprenda por la dura experiencia. Sin embargo, esto es historia y la ciencia est ahora con nosotros. Pero durante el proceso de desarrollo de esta ciencia, la Metalurgia Acadmica a veces pareca una ciencia pura, sin relacin alguna con la industria. En realidad, la explicacin de las propiedades de los metales en trminos de la microestructura y el desarrollo de la teora de aleaciones puede existir por s misma como contribucin a la ciencia pura. El objetivo a largo plazo de este trabajo ha sido el de proveer una base cientfica para mayores avances prcticos. Un buen ejemplo es provedo por la historia de la superconductividad. La superconductividad, por aos una rama de la fsica pura, inmediatamente lleg a ser materia de intenso inters metalrgico, una vez que la posibilidad de hacer componentes superconductores tiles fue claramente visualizada. La ciencia aplicada de esta materia conecta la ciencia de los metales. Esta conexin solo se mantiene y refuerza por el cuidado y la atencin deliberada, porque siempre hay una tendencia de separacin entre la parte cientfica y la industrial. Es tan natural para el investigador dedicarse totalmente a su problema cientfico como lo es para el industrial dedicarse totalmente a sus problemas de produccin, pero esto tiene demasiado a menudo el resultado que cada uno no tiene suficiente tiempo para el otro. Esta tendencia debe, sin embargo, ser resistida a toda costa; ya que sin un propsito prctico la ciencia llegar a ser irrelevante, trivial y sin el cientfico la industria se estanca tcnicamente y sobrevive slo gracias a la mano de obra barata y la viveza en la contabilidad.



La dificultad de este problema no debe ser subestimada. Las cualidades que ayudan a ser un buen investigador, habilidad de fijar la atencin en un slo problema cientfico con exclusin de todo lo otro y de suspender todo juicio hasta que los hechos estn bien claros, no son muy recomendables para el miembro de un grupo de diseo o de produccin donde la amplitud de conocimientos, rpida respuesta y buen juicio intuitivo son indispensables. Muy pocas personas sern capaces de contribuir completamente en ambos lados de la materia, el cientfico y prctico, por lo menos no en la misma etapa de su carrera. An ms, las cualidades que hacen un buen experimento, seleccin de condiciones especiales y materiales experimentales, a desplegar los efectos crticos tan claramente y simplemente como sea posible, control riguroso de todas las variables no deseables a menudo conducen al experimento lejos del problema industrial que se pensaba analizar. Por esta razn, el investigador metalrgico no puede resistir de llegar a separarse de sus colegas ms prcticos. Pero l nunca debe dejar de responder al desafo de hacer que su trabajo, sea lo ms directamente relevante al de ellos, sin sacrificar los principios de la buena ciencia. El investigador metalurgista debe buscar y extractar sus problemas precisamente del corazn de la misma industria, pero deben ser cientficamente buenos problemas. La habilidad de hacer esto, y el placer de hacerlo es a veces bastante remoto al corazn de la investigacin cientfica pura, y el inculcar esta habilidad y actitud es quizs la principal justificacin para la enseanza de la metalurgia como una disciplina acadmica separada. El metalurgista industrial tambin tiene sus desafos. El debe permanecer atento a la ciencia y an debe resolver sus urgentes problemas por la ruta ms rpida, que a veces puede ser en gran medida emprico porque no hay tiempo para parar y llenar la base cientfica que falta. Juicio intuitivo, una habilidad de concebir y ensayar soluciones rpidas adhoc y seguir sin mayores preocupaciones, si fueron exitosos, son esenciales aqu. Sin embargo, una buena base de ciencia analtica es igualmente importante para disminuir la seleccin de posibles rutas empricas, para coordinar todos los innumerables pedazos de informacin hasta obtener un cuadro coherente y para asignar valores y poner nfasis sobre las varias partes del programa, para demostrar donde el camino puede ser recorrido rpidamente y donde se debe hilar ms fino. Este tipo de Metalurgia tambin es ciencia aplicada y requiere gran poder analtico. En los captulos que siguen, trataremos de desarrollar una visin unificada de ambos aspectos lo cientfico y lo industrial. An en un curso introductorio hay una gran cantidad de ciencia y an un gran nmero de datos que aprender. La ciencia no puede tomar vuelo sin los hechos o datos pero un largo recital preliminar de los datos de la Metalurgia Industrial sin la ciencia, solo es estupificador. Para sobrellevar este problema trabajaremos a travs de la ciencia, partiendo por el ncleo atmico y llegando gradualmente a las estructuras ms complejas de los metales industriales, para proveer una lnea continua al tema entre manos, pero por el camino haremos hincapi en todos los puntos adecuados para mostrar como esta ciencia est relacionada a las formas caractersticas de la Metalurgia Industrial. Por el camino de cruce de la ida y vuelta entre la ciencia de los metales y lo prctico industrial. Trataremos de visualizar la Metalurgia como una ciencia aplicada que conecta estos dos lados.


Captulo 2: La Metalurgia o la Ciencia y el Arte de los Metales 13

CAPTULO 2: LA METALURGIA O LA CIENCIA Y EL ARTE DE LOS METALES 2.1. INTRODUCCIN La Metalurgia es la ciencia y el arte de extraer metales a partir de sus minerales, refinndolos y preparndolos para su uso. La obtencin de los metales se realiza a travs de una secuencia de pasos o etapas que pueden ser de carcter fsico o qumico. Los metales se encuentran en la naturaleza en forma de minerales o mezclas de minerales, los cuales contienen usualmente grandes proporciones de minerales de desecho junto a los minerales de los metales valiosos. Una vez extrada la mezcla mineral de la mina, el primer paso a seguir es, en general, extraer fsicamente los minerales valiosos separndolos en gran parte de la ganga. Esto se realiza triturando y moliendo los minerales para separarlos entre s y luego concentrando aquellos minerales valiosos por procedimientos tales como la concentracin por gravedad, flotacin por espuma o separacin magntica, en los cuales se aprovechan las diferencias de las propiedades fsicas de los diferentes minerales. Estas operaciones se caracterizan por no modificar las caractersticas qumicas de los minerales que han sido separados. Los siguientes pasos en la extraccin de los metales a partir de los concentrados y su refinacin posterior son necesariamente de naturaleza qumica, el metal valioso debe ser separado qumicamente del compuesto que lo contiene; para esto se requiere la ejecucin de una amplia variedad de reacciones qumicas en gran escala. La mayor parte de estos procesos qumicos se realizan en hornos de alta temperatura, aunque en algunos casos se utiliza electricidad para producir los cambios qumicos tanto a bajas como a altas temperaturas. En general, la obtencin de un metal en particular involucra una serie de tales pasos qumicos. Una vez que el metal ha sido extrado y refinado, debe sufrir un tratamiento posterior para adaptarlo al uso que le ha sido asignado. Por medio de las adiciones de otros elementos, las deformaciones mecnicas, los tratamientos trmicos, etc. se le entregan al metal las propiedades que determinan su utilidad posterior. Este es a grandes rasgos el panorama de la Metalurgia; es por lo tanto, en primera instancia, un conjunto de actividades humanas reunidas con un fin comn, la obtencin de artculos metlicos. La importancia de unificar estas actividades en una sola cosa objeto de estudio, no es del todo clara y su justificacin es ms bien histrica; sin embargo, cabe tener presente que en la naturaleza existen alrededor de un 80% de elementos que presentan caractersticas metlicas. Si bien el conjunto de operaciones involucradas en la fabricacin de un objeto metlico presenta una unidad evidente, de acuerdo con la secuencia de las etapas necesarias para la obtencin de un producto metlico, no es igualmente evidente la existencia de una unidad cientfica, que conteniendo mtodos o conocimientos bsicos particulares, pueda llamarse Ciencia Metalrgica. Slo en los ltimos aos se ha hecho claridad en el sentido de que al nombre Metalurgia responden dos unidades del conocimiento: la Ingeniera Metalrgica y la Ciencia



Metalrgica. Al hablar aqu de la Metalurgia como una ciencia bsica que tenga algn mtodo particular o sus propias leyes independientes del resto, queremos decir que ese conocimiento bsico no est contemplado en general en otras ciencias o es comprendido en trminos diferentes en ellas. La Ingeniera Metalrgica es una de las profesiones ms antiguas del hombre, ha jugado un papel preponderante en el desarrollo de las sociedades humanas llevndolas desde la tenebrosa Edad de Piedra a la Edad de Bronce y posteriormente a la Edad del Hierro; actualmente gran parte del progreso humano se sustenta en el gran desarrollo alcanzado en la elaboracin de los metales. Este es un hecho indiscutible. La Ciencia Metalrgica es relativamente nueva y est en una etapa ms bien primitiva de su desarrollo. A continuacin se establecen ms detalladamente estos conceptos y se muestran las divisiones internas de la Metalurgia as como los nombres usualmente empleados. 2.2. INGENIERA METALRGICA La Ingeniera Metalrgica es el conjunto de operaciones y procesos por medio de los cuales un mineral es reducido a un metal, el cual a su vez es modificado en las formas y con las propiedades requeridas para ser utilizadas por el hombre. La Ingeniera Metalrgica se divide en cuatro grandes reas de acuerdo con la secuencia lgica de los procesos: preparacin de minerales, metalurgia de procesos, procesamiento de metales y metalurgia de aplicacin. Los dos primeros caen en lo que comnmente se denomina Metalurgia Extractiva que abarca hasta la obtencin de los metales, y los dos ltimos en Metalurgia Adaptiva a la cual le competen las modificaciones y el control de las propiedades de los metales y las aleaciones. La siguiente tabla ilustra la divisin de la Ingeniera Metalrgica donde se incluyen los tpicos ms comunes que conforman cada campo. Los nombres que aparecen corresponden a procesos unitarios y operaciones unitarias que son comunes para todos los metales; los metales no se distinguen entre si ms que por sus propiedades y por tal razn no aparecen trminos clsicos como ferroso y no ferroso, estos trminos pueden ser utilizados industrialmente, pero la divisin de la ciencia o la Ingeniera en virtud de tales lneas no es conveniente, como tampoco es conveniente dividirla de acuerdo con el metal tratado. En esta tabla aparecen las actividades tpicas de un Ingeniero Metalrgico en cada uno de sus campos de especializacin. Esta es una divisin natural basada en la realidad industrial de todos los pases del mundo y no una definicin basada en los conocimientos bsicos. Este es el amplio objetivo que debe tenerse en cuenta en la formacin de un Ingeniero Metalrgico, ya que es el tipo de labores que desarrolla en el desempeo de su profesin. A continuacin se ver con un poco ms de detalle cada campo de la Ingeniera Metalrgica.



Metalurgia Extractiva Metalurgia Adaptiva 1- Preparacin de Minerales a.- Conminucin b. Concentracin c.- Lixiviacin

3- Procesamiento de Metales a.- Conformado de Metales b.- Fundicin c.- Soldadura d.- Tratamiento de superficies e.- Metalurgia de Polvos f.- Tratamientos Trmicos

2. - Metalurgia de Procesos a.- Tostacin b.- Reduccin c.- Refinacin d.- Electrorefinacin e.- Lingoteado

4- Metalurgia de Aplicacin a.- Control de Calidad b.- Seleccin y especificacin c.- Diseo de Aleaciones

* Modificado de John Chipman; What is Metallurgy.



2.4. PREPARACIN DE MINERALES La Ingeniera Metalrgica comienza con el mineral metlico y las primeras operaciones son las relacionadas con la preparacin de minerales. La mayor parte de las actividades involucradas en este campo se caracterizan por no modificar la estructura qumica de las especies mineralgicas, son "operaciones fsicas" cuyo objetivo es separar una especie de otras. Solamente la lixiviacin, dentro de este campo, involucra una reaccin qumica y por lo tanto cae dentro del grupo de "procesos qumicos". En general, cada elemento metlico se extrae por procedimientos diferentes, sin embargo, todos los procedimientos consisten en pasos que son comunes, es decir, estn formados por un nmero relativamente pequeo de pasos que se combinan en grupos y secuencias definidas. Estos pasos individuales de denominan operaciones unitarias o procesos unitarios, segn el caso; la combinacin de ellos se conoce con el nombre de "flow sheet". La siguiente tabla muestra los principales pasos unitarios involucrados en la preparacin de minerales. Existe una marcada semejanza entre las operaciones unitarias contenidas en el tratamiento de minerales metlicos contenidas en el tratamiento de minerales metlicos y aquellas relacionadas con los minerales no metlico, cermicos y de combustibles slidos, todos ellos relacionados ntimamente con la geologa econmica y la minera. Se ha dicho que este primer segmento de la Ingeniera Metalrgica constituye tambin una parte de un campo ms amplio denominado Ingeniera Mineral. OPERACIONES Y PROCESOS UNITARIOS DE LA PREPARACIN DE MINERALES*

Operaciones Unitarias Procesos Unitarios Chancado Molienda Cribado Clasificacin Separacin por Gravedad Jigging Flotacin Separacin Magntica Separacin Electrosttica Agitacin Filtrado Manejo de Materiales

Lixiviacin Precipitacin

* Obtenida de R.Schuhmann, Jr. The Unit Processes of Chemical Metallurgy La fundamentacin cientfica de las operaciones unitarias, involucradas en la preparacin de minerales que configura el rea denominada "Mineralurgia", est basada en tpicos tales como: Cristaloqumica, termodinmica de superficies, Mineraloga, Mecnica de fluidos y otros de aplicaciones no tan generales, pero si importantes para una operacin especfica, tales como Qumica Orgnica, Electricidad y Magnetismo y otras ramas de la



fsica. Los fundamentos de los procesos qumicos de la preparacin de minerales, esto es, la lixiviacin y la precipitacin, son similares a los de otros procesos, contenidos en la Metalurgia de procesos y sern consideradas despus. La importancia de la preparacin de minerales en la Ingeniera Metalrgica es obvia, si se piensa, que ella determina, segn su estado de desarrollo, el que un depsito mineral sea explotable o no. La gran parte de nuestro cobre se obtiene a partir de minerales que no tenan ningn valor hace 50 o 60 aos atrs. Esto se debe exclusivamente al desarrollo de la flotacin que convirti rocas sin importancia en fuentes naturales. As, en el futuro, muchos de nuestros metales provendrn de minerales que hoy en da no son convenientes de tratar. Esta es una de las grandes tareas de la Ingeniera Metalrgica. 2.5. METALURGIA DE PROCESOS La Metalurgia de procesos es la sucesin de pasos o procesos por medio de los cuales un mineral impuro se reduce a un metal, refinado, aleado y lingoteado en las formas apropiadas como metal primario dispuesto para un procesamiento posterior. Todos los pasos involucrados en este campo, sin excepcin, se caracterizan por modificar las propiedades qumicas o los estados de agregacin de las especies qumicas que en ellas participan, son por lo tanto procesos qumicos. La Metalurgia de procesos es muy afn con la Ingeniera Qumica con la cual tiene muchas ideas y problemas en comn; aunque la mayor parte de los procesos unitarios son distintos a los de la Ingeniera Qumica los principios bsicos en que se sostienen son muy semejantes. En la prctica es muy comn encontrar a Ingenieros Qumicos que se han especializado en Metalurgia de Procesos y que cubren este campo ocupacional al igual que los Ingenieros Metalrgicos. Esta prctica es discutible ya que para ser un eficiente metalurgista de procesos, no slo es necesario contar con un amplio respaldo en los aspectos bsicos, lo cual si es comn, sino que tambin debe tenerse una gran familiaridad con los sistemas estudiados. Los metales fundidos, las escorias, la electrlisis de sales fundidas, la solidificacin de lingotes, etc., no son conceptos familiares para los Ingenieros Qumicos, quienes se desenvuelven siempre con sistemas a temperaturas mucho menores. Sin embargo, hay que destacar que las diferencias entre ambos campos deben buscarse en los tipos de sistemas estudiados y no en los conocimientos bsicos utilizados. Antiguamente era costumbre ensear la Metalurgia de procesos en trminos del metal estudiado, de ah aparecieron trminos tales como, metalurgia del cobre, metalurgia ferrosa, metalurgia del nquel, etc. actualmente tal prctica es anacrnica, en cambio el estudio se lleva a cabo con el concepto de proceso unitario incorporado por Schuhmann; segn esto, al igual que en la preparacin de minerales, todas las especies minerales sufren una secuencia de procesos comunes para ser convertidos en metales primarios. La siguiente tabla muestra los principales procesos que sufren los minerales y que conforman la Metalurgia de Procesos.



PROCESOS UNITARIOS DE LA METALURGIA DE PROCESOS Secado Metalotermia Calcinacin Carbotermia Tostacin Destilacin y Sublimacin Sinterizacin Fusin de Retortas Fusin simple Reduccin gaseosa Fusin en alto horno Refinacin a Fuego Conversin Electrorefinacin Reduccin lquida Electrorecuperacin Combustin Electrlisis de sales fundidas Lingoteado Procesos Hidrometalrgicos

Es conveniente aclarar aqu la significacin de ciertos trminos muy utilizados en el lenguaje de la Ingeniera Metalrgica como son los de: Piro, Hidro y Electrometalurgia. Este trmino son generalizados de un conjunto de procesos que no tienen una caracterstica particular, pero que no implican ningn fundamento bsico; as la Pirometalurgia es el conjunto de procesos unitarios de la Metalurgia de procesos que implican altas temperaturas, pero que puede ser en sistemas gas-slido, lquido-lquido, etc. La Hidrometalurgia implica soluciones acuosas y la Electrometalurgia el uso del principio de la electrlisis sea en soluciones acuosas, soluciones metlicas o inicas. Su uso, por lo tanto, es limitado y no debe formar parte en la definicin de la Metalurgia. Los procesos unitarios de la Ingeniera estn, en general, relacionados con reacciones qumicas y cambios de estado; las bases fundamentales con que se apoya son, por cierto, la Termodinmica, la Cintica de reacciones, la Electroqumica y la Qumica Inorgnica, pero aplicada, en ciertos casos, a sistemas muy particulares como son los de sales fundidas, soluciones inicas, soluciones metlicas y en casos menos frecuentes en sistemas acuosos y gaseosos. Es decir, que en general, la Metalurgia de procesos trata con sistemas heterogneos y por lo tanto, se apoya en una gran medida en la ciencia de los Fenmenos de Transporte. La aplicacin de estos principios a la Ingeniera Metalrgica ha permitido mejorar enormemente los procesos introduciendo nuevos mtodos tecnolgicos, desarrollando nuevos sistemas y mejorando sustancialmente la calidad de los productos con ms eficiencia y mayor economa de los procesos. 2.6. PROCESAMIENTO DE METALES Bajo el nombre de procesamiento de metales estn contenidos los procedimientos por medios de los cuales los metales se transforman en objetos tiles. En general, en estos procesos, aunque aqu esta palabra carece del sentido indicado antes, se modifican las propiedades fsicas y mecnicas de los metales y slo raramente sus propiedades qumicas.



Una parte de este campo, el conformado de metales junto con el estudio de las propiedades mecnicas de los materiales, lo cual se denomina a veces como Metalurgia Mecnica, ha sido hasta ahora un dominio de la Ingeniera Mecnica; debido al estado de desarrollo de esta rea, los problemas relacionados con las fuerzas aplicadas y las respuestas del sistema como medio continuo. La Ingeniera Metalrgica se preocupa fundamentalmente del comportamiento de los metales bajo diversas solicitaciones desde el punto de vista de la microestructura, solo recientemente el conformado de metales ha alcanzado un estado de desarrollo en el cual es conveniente estudiar estos problemas. El proceso que sigue un metal para ser convertido a la forma y con las propiedades deseadas, depende del metal en cuestin y del objetivo perseguido, sin embargo existe un cierto nmero de pasos nicos a los cuales un metal puede ser sometido. Los ms importantes muestran en la siguiente tabla.

PASOS UNITARIOS EN EL PROCESAMIENTO DE METALES

Laminacin Temple y Revenido Forja Recocido Trefilacin Normalizado Extrusin Carburizacin o Cementacin Fusin y Colada Nitruracin Soldadura Compactacin Galvanizado Sinterizacin Zincado Metalurgia de Polvos

Los fundamentos cientficos en que se basan los procesamientos de los metales son muchos y muy variados, en ciertas partes son los mismos que en metalurgia de procesos, pero adems existe una ancha gama de materias como son la metalografa, cristalografa, fsica del estado slido, la teora de dislocaciones, difusin en el estado slido, solidificacin, reacciones martensticas, transformaciones de fases, elasticidad, plasticidad, etc. que forman parte de la ciencia bsica en que se apoya toda la Metalurgia Adaptiva. Durante mucho tiempo, la gran mayora de estos procesos fueron relegados por los Ingenieros Metalrgicos a un control puramente emprico. Slo en este ltimo tiempo y en forma parcial se han logrado adelantos al aplicar los conocimientos cientficos a ellos, especialmente en la industria de la fundicin y en los tratamientos trmicos. As, "nosotros hemos visto en aos recientes doblar la resistencia de las fundiciones grises persuadiendo al grafito a formar ndulos en vez de escamas o lminas". 2.7. METALURGIA DE APLICACION El saber elegir el metal justo y colocarlo en el sitio justo con las mejores condiciones de costo y de servicios es la ltima rama de la Ingeniera Metalrgica. La seleccin y especificacin de los metales y de su tratamiento (trmico, superficial, etc.) es



generalmente una tarea de grandes proporciones que obliga al Ingeniero a utilizar al mximo de su ingenio y su experiencia. Para realizar esto debe tener en cuenta, la complejidad de la estructura, los diversos tipos de metales, la calidad adecuada, los aspectos econmicos, etc. En este campo, las ciencias mencionadas anteriormente, encuentran mejor su aplicacin prctica, y adems aqu la Metalurgia se sirve de toda la Ingeniera; aqu el Ingeniero Metalrgico esta constantemente trabajando con otros ingenieros, por lo tanto debe conocer su lenguaje, debe comprender los rendimientos del diseo, la fabricacin, inspeccin y el ensamblado. Si ningn metal o material conocido es satisfactorio para la tarea dada, una nueva aleacin o nuevo material debe ser diseado para cumplir el objetivo, un programa de investigacin y desarrollo ser requerido. A medida que se obtengan aleaciones que cumplan con las necesidades, los requisitos aumentan, an mejores aleaciones son requeridas y el proceso debe continuar. Estamos constantemente en medio de tales desarrollos. Rpido progreso se hace en este momento en el desarrollo de metales tiles a altas temperaturas. El diseo de una aleacin nueva para un propsito dado puede ser una tarea muy simple o extremadamente difcil, dependiendo de la disponibilidad de los datos cientficos bsicos. Como muchos requisitos no han podido satisfacerse con aleaciones metlicas se ha buscado y encontrado soluciones con materiales no metlicos como son las cermicas y los polmeros (comnmente conocidos como plstico) o sus combinaciones dando lugar a los materiales compuestos o compsitos, que son el inters de una nueva disciplina, la Ciencia de los Materiales. La Ciencia de los Materiales se nutre de todo el conocimiento metalrgico bsico para aplicarlo a todos los materiales y al enriquecerse con la qumica y fsica del estado slido dando nacimiento as a la Ingeniera de Materiales, la natural expansin de la Metalurgia Fsica.


Captulo 3: Resea y Evolucin Histrica 21

CAPTULO 3: RESEA DE LA EVOLUCIN HISTRICA 3.1. INTRODUCCIN El descubrimiento de los metales y el conocimiento de sus propiedades especiales ocurrieron a muy diferentes tiempos en las diferentes regiones del mundo. Con la excepcin de pequeas cantidades de cobre nativo, algunos depsitos de oro y plata y meteoritos de hierro y nquel, los metales generalmente no se encuentran en estado libre, sino que se encuentran como mezclas de minerales. Como usualmente los minerales no se parecen en nada a los metales que contienen, nos maravillamos como el hombre primitivo lleg a extraer el metal de ellos. Quizs el color brillante y llamativo de muchos minerales hizo que fueran coleccionados con propsitos ornamentales o mgicos. La malaquita, el mineral ms comn de cobre, CuCO3 Cu (OH)2, por ejemplo es de color verde-azulado brillante. Si tal mineral cae accidentalmente dentro del fuego se obtienen brillantes perlitas de metal. Donde sea que esto ocurri el hombre primitivo debe haber estado asombrado de descubrir que algunas piedras pudieran ser calentadas hasta ceder algo con consistencia como agua y al ser enfriados nuevamente se endurecan como piedras. El primer metal usado por el hombre fue el oro que se obtena en forma de pepitas de los lechos en los ros. Llam la atencin especialmente porque era brillante y no perda su lustre con el tiempo. Por ser un material muy maleable, poda cambirsele su forma a golpes sin que se resquebrajara, usndolo como adorno. Esto significa que la Metalurgia Mecnica con la operacin de forja, es la rama ms antigua de nuestra especialidad. El cobre que tambin se encontraba en forma nativa (estado metlico, no-combinado qumicamente), fue usado posteriormente. El forjado de este metal permiti cambiarlo de forma con lo cual se endureca hasta seguramente ponerse quebradizo, con lo que perda la propiedad ms importante que lo distingua de las piedras. Quizs alguien calent el metal deformado y observ que nuevamente se ablandaba, as se hizo el primer "recocido". En alguna oportunidad se calent demasiado excediendo la temperatura de fusin y el metal de fundi. Este hecho debidamente aprovechado, vertiendo el lquido en un molde, que al solidificar permite obtener formas ms complicadas que las posibles por forja, ocurri por primera vez 4000 aos (Rusia), desde donde se extendi a Mesopotamia. Se utiliz para fabricar armas permitiendo que sus habitantes obtuvieran victorias ms fciles en las batallas. El cobre fue el primer metal cuyo uso se extendi, probablemente porque sus minerales ceden el metal fcilmente en un fuego de carbn vegetal. Se descubri ms adelante que al calentar minerales de cobre mezclados con minerales de estao, la dureza del cobre aumentaba enormemente. Esta adicin tambin baja la temperatura requerida para fundirlo. La aleacin resultante, conocida como bronce, eventualmente reemplaz al cobre puro en la fabricacin de herramientas y armas (espadas, arados y campanas). Aunque los minerales de hierro eran abundantes, los fuegos primitivos no eran suficientemente



calientes, an cuando se usaban "fuelles" (de piel de cabra), para tratar de obtener hierro lquido. Luego en vez de poder juntarse convenientemente en un bao lquido, cuando se calentaba el mineral con carbn vegetal, el hierro permaneca como una masa pastosa y esponjosa mezclada con escoria. Como el hierro no poda ser vertido, no poda colocarse en moldes. Al calentarse al rojo era golpeado o forjado a la forma deseada. (Punto de fusin del Cobre 1083C mientras que el hierro funde a 1538C). Los productos de hierro eran superiores en resistencia y duracin a los de bronce pero las tcnicas metalrgicas ms complicadas hicieron que la produccin de hierro apareciera ms tarde en la escena histrica. Los Hititas de Asia Menor fueron los primeros en forjar armas de hierro en cantidades, en gran medida gracias a ellas tuvieron xito en su invasin en el siglo XIV antes de Cristo al imperio Egipcio, la ltima gran civilizacin de la edad del bronce. Los metales conocidos en la antigedad adems del cobre y estao fueron el oro utilizado en ornamentos, la plata tambin en ornamentos adems de monedas. El hierro principalmente para herramientas y armas. El plomo en partes de las instalaciones de acueductos (romanos) y otras aplicaciones de gasfiteras. El Mercurio para la extraccin del oro por amalgamacin. 3.2. LA MAGIA DEL CRISOL Los rituales mgicos y conceptos que se relacionaban con el arte de la metalurgia en tiempos medioevales estn ilustrados en la Tabla I. Los primeros alquimistas y astrlogos vean una asociacin oculta entre los metales y los cuerpos celestes. La ambicin del alquimista en extraer o sintetizar oro a partir de metales menos nobles los incentiv a ensayar. Aunque nunca obtuvieron el oro en sus crisoles, el esfuerzo de los alquimistas no fue en vano. Ellos desarrollaron tcnicas de laboratorio tales como destilacin y los elementos arsnico, bismuto, cinc, antimonio y fsforo fueron aislados e identificados.



Tabla 1. METALES DE LA ANTIGUEDAD

3.3. METALURGIA LLEGA A SER UNA CIENCIA Pero no fue hasta el siglo XVI que aparecieron las primeras publicaciones que recopilaron las tcnicas y conocimientos de la poca permitiendo as traspasar las experiencias acumuladas en forma sistemtica de una generacin de metalurgistas a otra. As tenemos: "De la Pirotcnica". 1540 por Vanuccio Biringuccio (1480 - 1539) director de la Fundicin Papal, recibi el nombre de padre de la Industria de la Fundicin. Publicado en Italiano. El contenido es poco til debido a su lenguaje abstruso e impreciso. "De Re-Metallica". 1556 por Georgius Agrcola (o Georg Bauer). Publicado en latn, Primera publicacin escrita usando el equivalente al mtodo cientfico para la poca. Fue traducido al ingls en 1912 por Herbert Hoover (ex-presidente de E.E.U.U. de profesin Ingeniero Metalrgico). Los avances en el campo de la Qumica hicieron posible expresar los fenmenos metalrgicos en trminos de reacciones qumicas. De esto naci la metalurgia extractiva,

Oro

Plata

Mercurio

Cobre

Hierro

Estao

Plomo

Antimonio

Platino

Sol

Luna

Venus

Marte

Jupiter

Saturno

Mercurio



que incluye la reduccin cientficamente controlada de minerales metlicos para extraer el metal y lograr la purificacin del metal en bruto adems de la adicin de elementos de aleacin. Esta rea mostr un gran progreso durante la ltima parte del siglo XIX. (Ver tabla II) Tabla II. Fechas Histricas de inters Metalrgico. antes de 4000 A.C Uso del oro y cobre nativo. Martillado para

endurecer y calentado sin llegar a fundir. 4000 a 3000 A.C Reduccin de minerales oxidados de cobre y

plomo. Aleaciones de cobre y arsnico por fusin de minerales. Bronce. Fundicin del cobre casi puro. Soldadura de cobre-oro-plata.

3000 a 2000 A.C Tostacin de minerales sulfurados de cobre.

Ensayos de obtencin de hierro esponja. Tcnicas de fabricacin de joyas. Alambres por cortadura de planchas.

2000 a 1000 A.C Hierro forjado. Bronce a partir del cobre y estao

puros. Latn Aceros cementados y endurecidos por temple.

1000 a 1 A.C Hierro fundido (solo en China). Produccin de

hierro, cobre y plata. Estampado de monedas. 1 a 1000 Extraccin del cinc. en China e India. Acero

desde hierro forjado y fierro fundido (China). Acero por soldadura y forja repetida. Control del carbono o por fundentes. Espada de Damasco. En Europa espadas por forjado y cementacin en fraguas. (Francos y Vikingos)

1000 a 1500 Fundicin del primer can de bronce por un

monje en Ghent (1509). Horno para reduccin de mineral de hierro a fierro fundido (arrabio). Refinacin de fierro fundido a hierro forjado.

1500 a 1600 Primer can de fierro fundido (1509).

Laminador para planchas delgadas para confeccionar monedas. Extensa aplicacin de la fuerza hidrulica para trabajar los metales.

1600 a 1700 Horno reverbero a carbn para plomo y cobre.

Perdigones de plomo por cada libre. Aleacin de bajo punto de fusin de Newton.



1700 a 1800 Uso del cobre para obtencin del hierro. (Darby-

1709-Inglaterra). Fundicin Maleable. (Reaumur 1722, Francia). Acero en crisol redescubierto por Benjamn Huntsman (relojero Ingls-1740).

Metalurgia del polvo para platino. Extrusin de tubos de plomo. Invencin del cubilote por John Wilkinson, Inglaterra (1794). Reduccin electroqumica de cobre y plata.

Siglo XIX Caones de Acero fundido (Krupp-1847 -

Alemania). Fabricacin de Acero en gran escala con el

convertidor por William Kelly y Sir Henry Bessemer en Inglaterra (1851).

Horno de fusin de chatarra de acero Siemens - Martin a gas con aire pre-calentado. (1857). Estufas Cowper para precalentamiento de aire para el alto horno. Refinacin electroltica de obtencin de Aluminio (Hall, Heroult 1886). Laminador tro para acero (1856). Acero al manganeso Hadfield (1882). Tubos de acero sin costura (Mannesmann 1885).

Los avances en el campo de la Qumica hicieron posible expresar los fenmenos metalrgicos en reacciones qumicas. De esto naci la metalurgia extractiva, que incluye la reduccin cientfica controlada de minerales metlicos para extraer el metal y lograr la purificacin del metal en bruto, adems de la adicin de elementos de aleacin. Esta rea mostr un gran progreso durante la ltima parte del siglo 19. (Ver tabla II). Al comienzo del siglo 20, nuevas herramientas estuvieron disponibles. Microscopios pticos de alta calidad y equipos de difraccin de Rayos-X permitieron a los cientficos explorar la estructura de la materia a nivel microscpico y atmico. La Metalurgia se sigui desarrollando ahora a lo largo del campo de la fsica. El conformado de metales para obtener las propiedades fsicas y qumicas y la solidificacin de metales, son usualmente consideradas como pertenecientes al campo de la metalurgia fsica. Ms an, cada vez mayor cantidad de conocimientos obtenidos por el estudio cientfico de los metales tambin es aplicado a muchos otros tipos de materiales. Hay una tendencia creciente de hablar de ciencia de los materiales como un campo profesional de actividad separado. Fsicos, Qumicos, Ceramistas y Metalurgistas han desarrollado la Ciencia bsica que se aplica al campo general de los materiales, mientras que el ingeniero se ha preocupado en usar este conocimiento bsico para resolver problemas tecnolgicos particulares.



La gran similitud en el mtodo de investigacin para los diferentes materiales se puede apreciar fcilmente en la literatura cientfica. Si por ejemplo, uno suprime los nombres especficos de los materiales, a menudo sera imposible decidir el ttulo del artculo y a veces del artculo mismo de si debe aparecer en una publicacin de metalurgia o de cermicas. 3.4. CIENCIA DE LOS MATERIALES En general la ciencia de los materiales puede ser dividida convenientemente en dos reas: La primera trata de materiales estructurales incluyendo los metales refractarios, cermicas, metales muy puros para aplicaciones especiales, plsticos, vidrios, polmeros y materiales diferentes. La segunda rea est relacionada con materiales electrnicos, tales como semiconductores, aisladores y superconductores. Cul es el rol de la metalurgia en el campo de los materiales? Los metales son verstiles, abundantes, relativamente de bajo costo y tienen muchas propiedades fsicas deseables. Los metalurgistas han desarrollado un amplio conocimiento que les permite llegar a la combinacin de metales con no-metales. Los requerimientos para reactores nucleares, vuelos espaciales, en que a veces los requisitos exigidos a los materiales son tan inflexibles que deben ser construidos tomo por tomo para lograr la combinacin de propiedades deseadas. Las tcnicas empleadas en la ingeniera molecular en su mayora son metalrgicas, desarrolladas por metalurgista mucho antes que hubiera una necesidad para ellas en otros materiales. 3.5. LOS METALES COMUNES Las caractersticas fsicas ms notables de los metales estriban en el hecho que son buenos conductores de la electricidad, reflejan la luz y se deforman plsticamente, sin quebrarse. El metal ms importante y ms usado es el fierro. El tonelaje producido en el mundo es aproximadamente cincuenta veces ms que el de cualquier otro metal y es probablemente diez o veinte veces ms que el de todos los no ferrosos juntos. El hierro es el segundo ms abundante en la corteza terrestre (el primero es el aluminio) y sus depsitos comerciales son mayores que los de cualquier otro metal. Los factores que lo llevan a esa posicin relevante son:

1. Existencia de enormes depsitos de mineral de fierro de alta ley 2. Minerales de fierro son comparativamente fciles de reducir 3. Por consiguiente, el hierro es barato de producir 4. El hierro se combina con el carbono dando lugar a una serie de aleaciones tiles 5. El hierro posee propiedades magnticas nicas.



Para la mayora de los usos de ingeniera una aleacin de hierro (acero, fundicin, acero especial) es la primera opcin, y a menudo es el nico material lgico de usar. Una gran cantidad de metales no-ferrosos se consumen en la industria del hierro y el acero como ser: manganeso, aluminio y silicio como desoxidante; cromo, nquel, tungsteno, vanadio, molibdeno y muchos otros como elementos de aleacin, cinc, cadmio, cromo, estao, y otros en capas protectoras. Claro que el hierro no es totalmente el metal universal y hay algunas aplicaciones donde el metal ms caro no-ferroso y sus aleaciones deben ser usados. Algunas de las desventajas son:

1. El hierro tiene una densidad de 7.87gr/cm3 y sus aleaciones son aproximadamente tan pesadas como el hierro puro; para muchos casos donde el peso es importante es desplazado por el aluminio, titanio y magnesio.

2. El hierro y sus aleaciones se enmohecen o corroen cuando son expuestas a la

atmsfera. Muchos otros metales tales como el aluminio y titanio son mucho ms reactivos y se oxidan ms fcilmente que el hierro, pero forman una capa de xido compacta que protege al metal de ataque posterior. Los productos de la corrosin del hierro se forman como un depsito suelto y escamoso que no solo no protege al metal que hay debajo, sino que an sirve para acelerar la corrosin. No hay duda que ste es uno de los inconvenientes mayores del hierro. Claro que el hierro altamente aleado como acero inoxidable (18% Cromo y 8% Nquel) tienen una resistencia a la corrosin mucho mayor, con el consiguiente mayor costo.

3. A veces al ser magntico es un inconveniente. 4. El hierro es relativamente mal conductor del calor y electricidad y para tales

propsitos se prefiere aluminio o cobre.

Tabla comparativa de algunas propiedades de los Metales Comunes

Fe Cu Al Ti Mg Mo Ni

Punto Fusin C. 1538 1083 660 1668 650 2610 1455 Densidad gr/cm3 7.7 8.96 2.7 4.51 1.74 10.2 8.9 Conductividad elct. 0.10 0.593 0.382 0.024 0.224 0.19 0.145 Conductividad.Trm. 0.18 0.94 0.50 - 0.38 0.35 0.22

Costo US$ / lb 0.10 1.00 0.60 6.0. 0.70 5.0 7.0

Dureza mx. BHN 650 250 150 400 100 - -


Captulo 4: Procedencia de los Metales 28

CAPTULO 4: PROCEDENCIA DE LOS METALES 4.1. INTRODUCCIN Cuando el hombre descubre los metales observa que los puede usar en su beneficio en ese instante comienza el desarrollo intelectual de la humanidad. Posteriormente, cuando los metales son convertidos en herramientas y en mquinas nace el desarrollo de la tecnologa y de las ciencias las que, con vertiginosa velocidad, colocan al hombre en relevante situacin frente a la naturaleza. La metalurgia, arte de extraer, concentrar, purificar, transformar y adaptar los metales, tiene su trasfondo enclavado en la prehistoria y el hombre se hizo metalurgista primero, antes que cualquier otro profesional. Con ella nace el progreso y el bienestar de la humanidad toda, creando un presente de libertadores y un futuro de amplios horizontes para las generaciones venideras. 4.2. PROCEDENCIA DE LOS METALES Los metales proceden de:

a) Yacimientos Metalferos b) Desechos artificiales, Chatarra c) Meteorito

a) Metales procedentes de Minerales Los metales y dems elementos (incluyendo algunos gases), proceden de los minerales que forman la corteza terrestre. Estos metales estn en combinaciones binarias, ternarias, etc., como ocurre con el hierro, cobre, zinc, plomo, mercurio, estao, entre los ms comunes y metales no reactivos al estado elemental y en aleaciones, tales como el Au, Ag, Pt, Cu, electrum (Ag Au). Los minerales forman yacimientos que pueden ser de origen primario o secundario y dentro de ellos en una diversidad de formas que la geologa ha descrito con mucha exactitud. Dichos minerales yacen en las rocas, que forman la parte slida del globo terrestre y que se denomina corteza terrestre. Estas rocas se denominan: gneas, metamrficas y sedimentarias dependiendo cual haya sido el origen de ellas. Dentro de los minerales metalferos ms comunes que se encuentran formando menas importantes, tenemos:



Metal y Minerales Frmula Qumica Aluminio Al Coridn Al2O3 Bauxita Al2O32H2O Calcio Ca Fluorita CaF2 Calcita Ca CO3 Dolomita Ca CO3 Mg CO3 Cromo Cr Cromita FeO Cr2 O3 Cobre Cu Cobre nativo Cu Chalcocita (Calcosita) Cu2 S Calcopirita CuFeS2 (Cu2S FeS2) Bornita (pecho de paloma) Cu5 Fe S4 Atacamita Cu CI2 3 Cu (OH)2 Cuprita Cu2 O Malaquita Cu CO3 Cu (OH)2 Azurita 2 Cu CO3 Cu (OH)2 Crisocola Cu Si O3 n H2O Chalcantita Cu SO4 5 H2O Brochantita Cu SO4 3 Cu (OH)2 Hierro Fe Hierro nativo Fe Hematita (ms explotado en Chile) Fe203 70% Fe Magnetita Fe3O4 72% Fe Siderita Fe CO3 48% Fe Limonita Fe OH nH2O Pirita FeS2 32% Fe Plomo Pb Galena PbS Manganeso Mn Pirolusita Mn O2 Mercurio Hg Cinabrio Hg S Molibdeno Mo Molibdenita Mo S2



Plata Ag Argentita Ag2 S Estao Sn Casiterita Sn O2 Titanio Ti Rutilo Ti O2 Ilmenita Fe Ti O3 Uranio U Uranita U O2 Zinc Zn Blenda Zn S Zirconio Zr Circonita Zr O2 Entre las gangas comunes que acompaan los minerales, tenemos: Cuarzo: SiO2; Calcita: Ca CO3; Yeso: Ca SO4 5 H2O; arcillas y rocas, en general, y que en otras oportunidades estas gangas o materiales estriles pueden constituir el mineral a explotar. Ejemplo: el cuarzo es un mineral de ganga para el cobre, pero es la base para la fabricacin del vidrio. Por otra parte, los minerales se encuentran formando yacimientos, por concentraciones naturales de ellos, y que la minera ha definido de acuerdo a como sea su forma. Ejemplos de tipos de yacimientos tenemos:

1. Yacimientos Porfricos 2. Yacimientos Magmticas 3. Vetiformes 4. Lenticulares 5. Manteados o Mantos 6. Relleno de cavidades 7. Placeres

Y varios otros tipos ms, que sera largo de enumerar. El hombre posee varios mtodos para prospectar y catear yacimientos minerales y para ello se sirve de:

1. Observacin directa en el terreno (area y terrestre) 2. Sondajes 3. Magnetometra 4. Sismologa 5. Geoqumica



6. Sensores remotos (fotografa infrarroja) 7. Contadores

Y varios otros sistemas, hasta los ms sofisticados, como los busca tesoros, que tienen un fundamento cientfico. La bsqueda de yacimientos implica una empresa de gran envergadura, ya que se debe aportar grandes capitales, as como de personal especializado: Gelogos, Ingenieros de Minas, Ingenieros Metalrgicos, Ingenieros Elctricos, Ingenieros Mecnicos, Calculistas, Geodestas, Geoqumicos, etc., y personal de servicio, especializado en maquinarias de todo tipo. Cada tipo de yacimiento tiene caractersticas nicas y particulares, sin embargo, para una determinada sustancia, digamos cobre, las caractersticas son similares. Observemos el siguiente esquema de un yacimiento de cobre (Figura 1) y veamos lo que ocurre cuando ste sufre los efectos transformantes del medio exterior terrestre.

Figura 1: Esquema de un yacimiento de cobre

b) Desechos artificiales o chatarra Todos los metales que el hombre ya ha utilizado en el conformado de piezas, fundiciones, etc., pasan a constituir desechos o chatarra, los que son comercializados y vueltos a refundir, para fabricar u obtener de ellos nuevas piezas, repuestos, etc. Todos los pases del mundo utilizan, en gran medida, los metales procedentes de chatarra, lo que constituye una fuente importante de metales.



c) Meteoritos En el pasado, el hombre primitivo debi haber extrado metales de meteoritos que hall en la superficie de la corteza. Sin embargo, nunca en el presente siglo, por lo menos, los meteoritos han sido fuente de metales explotados por el hombre. Constituyen, eso s, fuentes de gran curiosidad cientfica. A continuacin se dan algunos datos y estadsticas importantes de tipo general. Tabla de los Elementos ms abundantes en la corteza terrestre:

Elemento Porcentaje en Peso Porcentaje Atmico Porcentaje en Volumen O 46.40 62.19 94.04 Si 28.15 21.49 0.88 Al 8.23 6.54 0.48 Fe 5.63 2.16 0.49 Mg 2.33 2.05 0.33 Ca 4.15 2.22 1.18 K 2.36 2.20 1.11 H 2.09 1.15 1.49 Ti 0.87 CI 0.58 P 0.19

Mn 0.11 C 0.08

4.3. COMPOSICIN DE LA CORTEZA TERRESTRE El 8% del total de la corteza, est compuesta de aluminio

Tabla 1: Abundancia de elementos en el universo (se usa como referencia el Silicio Si = I)

Elemento Elemento H 12.000 Mg 0.89 He 2.800 S 0.33 O 16 Ni 0.21 N 8 Al 0.09 C 3 Ca 0.07 Fe 2.6 Na 0.45 Si 1 CI 0.025

En comparacin todos los dems elementos son bastantes raros, por ejemplo el Cu sera 7.10-4 y el Au 1.5.10-6. Se ve que el hidrgeno es lejos el ms abundante de todos los elementos en el universo. Es bastante probable que todos los otros elementos se formaron a partir del



hidrgeno por fusin nuclear en las estrellas y la energa liberada as, es la principal causa de mantener la temperatura de las estrellas.

Figura 1: Esquema de la distribucin de elementos en la corteza terrestre

La distribucin de los elementos en la corteza terrestre es bastante diferente a la del universo (comprese ambas tablas). Casi no hay Helio y poco hidrgeno, el campo gravitacional de la tierra es demasiado dbil como para sujetar estos elementos livianos como gases qumicamente no-combinados. Las otras diferencias son debido a efectos qumicos y de densidad. La mayora del hierro de la tierra permanece qumicamente no combinado y como es bastante pesado se ha hundido hacia el centro dejando solo una cantidad relativamente pequeo en la corteza como xido de hierro. Por otro lado, los elementos aluminio, magnesio, calcio y silicio, siendo livianos y qumicamente activos se combinaron con el oxgeno para formar silicatos (arena, granito) y silicato-aluminoso (arcilla). Ellos componen la mayora de la corteza terrestre. 4.4. IMPORTANCIA DEL METAL FIERRO El tonelaje de fierro producido es 50 veces mayor que el de cualquier otro metal y 20 veces mayor que todos los no-ferrosos juntos. La importancia se debe:

1. Enormes depsitos de mineral de Fe de alta ley. 2. Su relativa facilidad para reducirlos. 3. Por las dos razones anteriores es ms barato 4. A la gran cantidad de aleaciones de utilidad comercial que sirva como base. 5. Propiedades magnticas nicas.



La produccin del hierro requiere del concurso de metales no-ferrosos; tales como Mn, Al y Ti como desoxidante: Zn, Cd, Cr, Sn como elementos para cubrir el fierro de una capa protectora y el Cr, Ni, W, V, Mo, etc., como elementos de aleacin. Las desventajas son:

1. La elevada densidad o peso especfico del fierro y sus aleaciones. 2. Su alta propensin a la oxidacin y corrosin es catastrfica. 3. A veces el ser magntico es un inconveniente. 4. Mal conductor del calor y la electricidad


Captulo 5: Electrones, tomos, Metales y Aleaciones 35

CAPTULO 5: ELECTRONES, TOMOS, METALES Y ALEACIONES 5.1. INTRODUCCIN Una de las fascinaciones de la Metalurgia es su rango o campo de accin. De los 106 elementos qumicos conocidos, 65 son metales. La combinacin de uno con los otros forma Aleaciones.

N de Aleaciones binarias 0 8 0 22

64 65 == pero en la prctica el nmero de aleaciones toma cifras astronmicas, ya que las aleaciones usualmente son de ms de dos elementos. 3, 4, 5 o ms y cada uno con diferentes concentraciones o porcentajes. Los metales son ensayados o usados a cargas equivalentes a 100.000 veces la presin atmosfrica o vacos de 10-13 atm. de presin. Temperaturas solo una fraccin del cero absoluto, -273 C, hasta tan altas como 3500C. 5.2. EL ESTADO METLICO Qu es un Metal? Podemos definirlo en base a una serie de sus caractersticas fsicas tales como su habilidad superior de conducir el calor y la electricidad, de reflejar la luz, de ser opacos a la luz y de deformar plsticamente sin quebrarse acompaado de una buena resistencia mecnica. Pero muchos elementos que se llaman metales corrientemente no tienen las propiedades arriba mencionadas. Tales como la plata que es transparente a la luz ultravioleta, el manganeso es mal conductor, indio no resiste ni su propio peso, el bismuto es frgil como el vidrio, por otro lado el silicio puede ser pulido hasta adquirir un lustre "metlico", aunque no es considerado un metal. Para mayor confusin un elemento tal como el estao, es metlico por encima de los 18C y deja de serlo por debajo. No hay una sola propiedad que sea comn a todos los metales y que no sea compartida por una sustancia no-metlica. La explicacin de esta confusin es la palabra "metal". Y para entender el estado metlico, debemos investigar ms all de las propiedades macroscpicas ms obvias de los metales. Debemos preguntarnos cmo se forman los slidos metlicos a partir de los tomos, explorar la estructura microscpica y atmica y cmo se comportan con el cambio de temperatura y la aplicacin de esfuerzos. Al explorar los conceptos bsicos de la metalurgia, es importante acordarse que los cientficos en la busca de nuevos conocimientos a menudo encuentran respuestas a preguntas que no se plantearon especficamente. Consideren el descubrimiento de los rayos X, en 1895. Fueron descubiertos accidentalmente, pero luego fueron usados por los



mdicos para las quebraduras de huesos. Si los cientficos hubieran explcitamente buscado un mtodo as, quizs todava estaran buscndolo. A veces, en la bsqueda de nuevos conocimientos los resultados secundarios son ms importantes que los originalmente buscados. As en metalurgia, muchos procesos eran conocidos desde mucho tiempo entre los artesanos. Pero un conocimiento cientfico de ellos an no se tena, y slo ha sido intentado seriamente en las ltimas dcadas. Empecemos entonces por la unidad fundamental a partir de la cual se construyen los elementos, que es el tomo. 5.3. TOMO Est constituido por un ncleo y un sistema de electrones planetarios que circulan a gran velocidad. El ncleo consta de varias partculas, entre las que destacaremos los protones de carga positiva y los neutrones de carga neutra (se puede interpretar como la conjuncin ntima de un electrn de carga negativa neutralizada por un protn de igual carga pero positiva). El nmero atmico Z representa la carga total positiva del ncleo, + Ze. Los electrones son de carga negativa -e. Cada tomo aislado es elctricamente neutro, tiene el mismo nmero de electrones planetarios que protones en el ncleo. El elemento ms liviano es el hidrgeno con 1 protn y un electrn. La masa del tomo est prcticamente concentrada en el ncleo porque un protn es 1835 veces ms pesado que un electrn. La individualidad fsica de los elementos se debe al nmero atmico o nmero de protones o electrones. As el Cu: 29, y Fe 26, mientras que el peso atmico se debe principalmente al nmero de protones + neutrones que contiene el ncleo. Como el peso atmico del cobre es 63, el ncleo tiene P.A.- Z = N 63-29 = 34 neutrones. La tabla peridica es la clasificacin de los elementos en orden de su nmero atmico, entre otras cosas. El dimetro atmico del ncleo de hidrgeno es de 10-13 cm. Los electrones planetarios se agrupan en capas designadas por letras K, L, M, N, O, P, Q, que corresponden a niveles de energa de los electrones, cada vez ms elevados a medida que va hacindose mayor la distancia con respecto al ncleo. Cada capa permite un cierto nmero de electrones.

K L

M

K = 2 electrones

L = 8 electrones

M = 18 electrones

Figura 2: Esquema de los niveles de energa de los electrones



Luego no existen ms de dos elementos con electrones en la capa K, el H y el He. Las capas se van saturando desde el ncleo hacia afuera. Los electrones de la ltima capa, reciben el nombre de electrones de valencia y son los electrones que estn enlazados con ms soltura con el ncleo y juegan un rol muy importante en el enlazamiento interatmico para formar slidos. Como el sodio tiene un solo electrn en la ltima capa es "monovalente" y el magnesio es "bivalente" por tener dos. Ahora a nosotros no nos interesa solo la descripcin del tomo aislado, sino formando slidos. Luego, estamos interesados en saber cmo los tomos se mantienen juntos, cual es la causa de la cohesin, este es el problema de los "enlaces". 5.4. ENLACE ATMICO De todos los enlaces atmicos solo veremos los tres ms importantes que se encuentran preferentemente en los slidos, como ser: 1.-Enlace inico 2.-Enlace Covalente 3.-Enlace Metlico 1.- Enlace Inico: Es el resultado de la atraccin mutua de cargas positivas y negativas. (Solo permite explicar el caso de tomo diferentes). Por ejemplo consideremos los tomos Na y Cl. El sodio cede su ltimo electrn al cloro que con ello completa su capa electrnica. Con ello ambos quedan cargados elctricamente y se atraen entre ellos, an ms, cada in atrae a todos los otros iones de carga contraria.

b)

Figura 3: Enlace inico del NaCl

(a) Na Cl

Na+

Cl-



2.- Enlace Covalente Se obtiene al compartir los electrones de valencias para completar la capa. O puede interpretarse como la atraccin de ambos ncleos por los electrones compartidos entre ellos. (Solo posible para tomos en que falten pocos electrones para completar la capa).

Figura 4: Ejemplos de enlaces covalentes 3.- Enlace Metlico Es el ms difcil de explicar. Pero un concepto simplificado puede tenerse si, se piensa que los metales por tener muy pocos electrones en la ltima capa electrnica los ceden para formar una nube electrnica que une los ncleos atmicos de carga positiva, este modelo se llama tambin el del pan de pascua, en que las frutas confitadas son los ncleos. Es evidente en este tipo de enlace que no hay restriccin de direccionalidad ni otro lmite al nmero de vecinos que no sea el debido a los tamaos de los ncleos, que no pueden interpenetrarse.

Figura 5: Enlace Metlico

5.5. ESTRUCTURAS MOLECULARES Es la unin de dos o ms tomos mediante un enlace primario preferentemente del tipo covalente, formando un conglomerado de enlaces saturados.



AGUA ETANO BUTANO

Figura 6: Estructuras moleculares

5.6. ESTRUCTURA CRISTALINA Una molcula tiene una regularidad estructural por el enlace covalente, tiene un cierto nmero de vecinos y una cierta orientacin entre los tomos. Si esta regularidad u orden se repite en tres dimensiones tenemos una estructura llamada cristal. Se detect experimentalmente por la tcnica de Difraccin de Rayos X. Por ejemplo volvamos al caso de la sal comn de mesa NaCl.

1. Cada Na+ y cada CI- tiene seis vecinos ms cercanos. 2. Hay igual nmero de ines Na+ y CI- 3. Se forma un pequeo cubo cuyas aristas son: 2 RNa + 2 RCI 4. Este pequeo cubo se llama celda unitaria, que al repetirse en las tres

dimensiones genera el cristal. 5. Los enlaces Na-Na y CI-CI estn separados el doble de la distancia que los

enlaces Na-CI, esto le da la estabilidad a la estructura, ya que las fuerzas de atraccin son ms importantes que la de repulsin de cargas iguales.

5.7. ESTRUCTURA CRISTALINA DE METALES PUROS 1.- Todos los tomos son iguales, tienen el mismo tamao y las mismas propiedades. 2.- La fuerza de cohesin es debida al enlace metlico.



La cristalografa (especialmente mediante Difraccin de Rayos - X), nos ensea que los tomos de un metal estn amontonados como bolas unas encima de otras. El slido se genera por simple empaquetamiento en el espacio. Especficamente por ese empaquetamiento lo ms compacto posible se reduce al mximo la energa de enlace. El slido es cristalino si este amontonamiento de tomos se produce en forma ordenada en las tres direcciones del espacio. 5.7.1. EMPAQUETAMIENTO COMPACTO LINEAL Se obtiene colocando las esferitas una al lado de las otras tocndose una a la otra. 5.7.2. EMPAQUETAMIENTO EN EL PLANO Se obtiene colocando lneas de esferas una al lado de las otros tocndose entre ellos. Haba dos posibilidades. Abierto (se tocan en un punto) y ms compacto (cada tomo de la lnea agregada se toca con dos tomos de la primera lnea). 5.7.3. EM

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