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PROCESOS INDUSTRIALES Guía Académica No. 1.

MATERIALES METALICOS FERROSOS Y NO FERROSOS I/P, T/P, I/I, D/E, I/M, M/I

Por: Ing. Ricardo A. Forero R.

OBJETIVO GENERAL •

L o s E s tu d i a n te s e n ti e n d e n y comprenden los diferentes tipos de materiales metálicos, y su s us propiedades estructura.

OBJETIVOS ESPECIFICOS •

• •

•

Conocen la diferencia entre No materiales Ferrosos, Ferrosos y Aleaciones. Conoce la forma de solidificación de los metales. E n ti e n d e el concepto de Polimorfismo, Isotrópico, Anisotrópico y de más propiedades de los metales. Conocen diferentes tipos de materiales ferrosos y no ferrosos.

Entre todos los materiales que los seres humanos hemos aprovechado y transformado a lo largo de la historia, LOS METALES ocupan un lugar destacado, por la versatilidad en sus uso y porque abrieron un mar de nuevas posibilidades tecnológicas. Su descubrimiento y el conocimiento de cómo transformarlos, supuso el paso de la Prehistoria a la Historia. La importancia de LOS METALES hace que los primeros períodos de la Historia se denominen Edad del Cobre, del Bronce y del Hierro. En este orden de ideas, podemos encontrar como materiales metálicos, los metales y sus aleaciones, así como también sustancias inorgánicas que están constituidas por uno o más elementos metálicos; por ejemplo: el hierro, el cobre, el

aluminio, el níquel y el titanio. Es importante tener en cuenta que el carbono es un elemento no metálico. Los metales tienen muchas características, pero las más importantes son: buena conductividad eléctrica y térmica, opacidad, brillo, fusibilidad, plasticidad, dureza, etc. Ahora bien, podemos subdividir a los materiales metálicos en dos grupos importantes:

¾

Ferrosos: a este grupo pertenece el hierro y sus derivados: el acero y las fundiciones. ¾ No ferroso: este grupo esta formado por los demás metales y sus aleaciones. A su vez, en función del peso, los metales se pueden subdividir también, en dos grupos: metales

ligeros y metales pesados. Materia Prima. Es importante aclarar que estos en estado natural, no se encuentran puros, ya que se hallan combinados con el oxígeno o con otros no metales, en especial del azufre, del cloro y del carbono. Los metales que se encuentran puros en la naturaleza, llamados metales nativos son: Oro, Plata, Cobre y Platino. El hombre para poder usar los metales, ha tenido que aprender como extraerlos de la naturaleza, pues en estado natural los metales están mezclados con otros minerales. Solo unos pocos aparecen solos, en estado natural, si bien en pequeñas cantidades como es el caso del cobre.

CONTENIDO: Obtención

2

Solidificación

3

Nucleación y Crecimiento del Grano

7

Imperfecciones y Defectos Cristalinos

7

Tratamientos Térmicos

10

Propiedades de los Metales

13

Materiales Ferrosos

14

Materiales No Ferrosos

25

Reciclaje de Materiales Metálicos

33

Actividad de Consulta y Estudio

34

Actividad de Autoevaluación

39

Actividad de Investigación. Taller No. 1

43

Bibliografía

46 Minerales Metalíferos: Reciben este nombre, aquellos minerales a partir de los cuales se obtienen los metales mediante tratamientos adecuados. El cobre, el hierro, el aluminio, el manganeso, el plomo y el zinc son los metales más comunes. El oro, la plata y el platino son más escasos, y por lo tanto, más caros. Entre los menos comunes podemos mencionar el litio, el wolframio y el germanio.

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El hierro es uno de los metales más exuberante en la naturaleza. Productivamente el hierro contiene carbono y otras sustancias que alteran sus propiedades físicas, pero estas se pueden cambiar, en el momento de desarrollar las aleaciones con otras sustancias, incluido el carbono. Proceso de fabricación de los materiales metálicos. La gran mayoría de los metales los podemos encontrar en la naturaleza mezclados con otros elementos, formando minerales metálicos.

La importancia de LOS METALES hace que los primeros períodos de la Historia se denominen Edad del Cobre, del Bronce y del Hierro.

Es por esto que, el primer paso, es la obtención del metal: esto consiste en localizar y extraer el mineral, que normalmente se encuentra en el subsuelo. A esta etapa corresponden los trabajos de minería. La extracción de los minerales se realiza practicando minas subterráneas o a cielo abierto con la ayuda de grandes máquinas. Como los minerales metálicos están mezclados con otros materiales, hay que triturar la roca extraída para separar el mineral metálico del resto de materiales.

Finalizado el proceso de obtención y tratamiento del metal, podemos fabricar con él una gran variedad de piezas metálicas. Algunos de los procedimientos de trabajo más habituales son: fundición y moldeo, deformación, corte y mecanizado. Propiedades físicas. Los metales tienen ciertas propiedades físicas características: a excepción del mercurio, son sólidos a condiciones ambientales normales, suelen ser opacos o brillantes, tener alta densidad, ser dúctiles y maleables, tener un punto de fusión alto, ser duros, ser buenos conductores del calor y la electricidad. Estas propiedades se deben al hecho de que los electrones exteriores están ligados sólo ligeramente a los átomos, formando una especie de nube (también conocido como mar de Drude), que se conoce como Enlace metálico. Su uso en la Ingeniería. Es importante destacar que los metales se utilizan en infinidad de aplicaciones.

El hierro por, ejemplo, es uno de los más abundantes en la naturaleza, y con el se obtiene el acero. En las construcciones se utilizan hierro y acero de distintos tipos. Utilizamos el cobre para cables, el estaño lo usamos para soldar, etc. La mayor parte del hierro se utiliza luego de ser sometido a tratamientos especiales, como el hierro forjado, el hierro colado o el acero (tal vez la más usada en ingeniería en la actualidad por sus características especiales). Los metales son unos materiales de enorme interés. Se usan muchísimo en la industria, pues sus excelentes propiedades de resistencia y conductividad son de gran utilidad en la construcción de máquinas, estructuras, mecanismos, circuitos y herramientas, etc. Los mayores productores de los materiales metálicos.

¾ ¾ ¾ ¾

Alemania Países bajos Japón Estados Unidos.

OBTENCIÓN La manufactura, en el sentido que se usa en las materias de Procesos Industriales, está involucrada con piezas y ensambles hechos con materiales capaces de soportar cargas o cumplir con otras funciones técnicas, como son: conducir electricidad, aislar, etc., siendo estos denominados: materiales de ingeniería. Así mismo, podemos definir procesos de manufactura, en la transformación de materias primas en artículos usables.

Datos de Producción y Consumo de Energía para Materiales Selectos de Manufactura. + +

Mg = 1.000 kg = Toneladas métricas = 2.200 lb.

La mayor parte de estos materiales son productos de operaciones previas a los de manufactura, denominados, procesos primarios; en los cuales con base a los elementos obtenidos del entorno, “minerales”, son procesados, con la intención de obtener las materias primas que luego van ha ser usadas en los procesos de manufactura.

Estas materias primas, con frecuencia se pueden obtener a través de una variedad de rutas alternas, algunas de ellas mucho más cortas que otras. Sin embargo, sería demasiado apresurado concluir que los procesos más complejos son necesariamente los más costosos.

de los plásticos y de los dispositivos microelectrónicos, estas relaciones ya no son validas, particularmente en las naciones industrializadas. Sin embargo, el acero todavía representa una porción abrumadora de la producción total de metal, pero otros metales ofrecen propiedades únicas y son indispensables.

Con mucha frecuencia la economía es un asunto de escala; así, se puede comprar acero en lámina a un precio menor que en polvo, en parte debido a las vastas cantidades que se producen en forma de lámina.

De esta forma, la baja densidad del magnesio y la alta razón de resistencia por masa del titanio han llevado a incrementar su uso, a pesar del alto requerimiento de energía.

Metales. Los metales aún son los materiales de ingeniería que más se utilizan en general, y el crecimiento de su producción (especialmente el del acero) con frecuencia se ha tomado como un indicador del desarrollo industrial. Con la creciente complejidad de muchos productos y ante el crecimiento

Las menas, usualmente de óxidos o sulfuros, son las principales fuentes de metales. Se usan varias técnicas para enriquecerlos y hacerlos más adecuados para procesamientos posteriores. Por lo tanto, los metales se extraen a gran escala, en plantas dedicadas a ello, con diferentes métodos.

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Los productos metálicos se hacen a través de una secuencia de pasos preparatorios, no analizados en esta guía, y de procesos subsecuentes en los cuales se producen piezas de ingeniería. 1. En la pirometalurgia, las menas se reducen con carbono (coque, aceite o gas) en hornos (fundición). Por ejemplo, los minerales de las menas de hierro, se cargan en altos hornos con coque y fundente (principalmente caliza) para producir arrabio de alto carbono y escoria. Por lo general, la producción excede un millón de toneladas año por horno. Las impurezas se pueden remover a través del refinado por fuego; en el caso del hierro, soplando oxígeno a través del arrabio fundido en un horno básico de oxígeno. Otros metales, principalmente el cobre y el zinc, a menudo se refinan por electrólisis (electrorrefinado), en

el cual, el metal impuro forma el ánodo y uno de alta pureza se deposita en el cátodo.

como en la electrolisis de la alúmina (obtenida de la bauxita) para producir aluminio.

2. La reducción directa (sin fusión) de algunas menas produce un polvo de alta pureza.

Un atributo importante de los metales es que se pueden reciclar in degradación de sus propiedades, pero el valor de la chatarra depende enormemente de la calidad. Como se ve por medio de las líneas punteadas en el grafico superior, la chatarra altamente contaminada puede requerir que se pase por toda la secuencia de producción con las menas; la chatarra menos contaminada puede sólo necesitar refinamiento y la que está separada cuidadosamente, puede ser un sustituto de metal nuevo (material virgen).

3. La hidrometalurgia involucra la disolución (lixiviación) de la mena en un ácido. El metal se puede precipitar o depositar en un electrodo (extracción electrolítica). Las menas de grado bajo y las pilas de escoria se pueden lixiviar en el sitio. 4. La electrólisis de una fusión de temperatura elevada también produce metal relativamente puro pero en forma líquida,

Se denomina fundición al proceso de fabricación de piezas, comúnmente metálicas pero también de plástico, consistente en fundir un material e introducirlo en una cavidad, llamada molde, donde se solidifica.

SOLIDIFICACIÓN Los metales sólidos son materiales cristalinos caracterizados por tener enlaces metálicos, una resistencia y una ductilidad razonables y por una buena conductividad eléctrica. Si sus átomos, junto con sus electrones, se visualizan como esferas diminutas de diámetros alrededor de 0,2 nm), se tiene que estas esferas ocupan

posiciones estrictamente prescritas en el espacio. El arreglo de puntos que representa el centro de los átomos se llama red cristalina. Los átomos vibran respecto a su posición en la red; la vibración es mínima en el cero absoluto. Cuando el sólido se calienta, los átomos vibran e amplitudes siempre crecientes; en una

temperatura crítica –el punto de fusión, Tm– el sólido se funde, se convierte en un líquido. El orden cristalino de largo alcance el sólido se pierde en gran parte, aunque puede existir un orden de corto alcance extendiéndose a varios átomos. De esta forma, al fundirse, el sólido cristalino se transforma en un líquido amorfo.

Las impurezas se pueden remover a través del refinado por fuego; en el caso del hierro, soplando oxígeno a través del arrabio fundido en un horno b á s i c o d e o x íg e n o .

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Medición de la solidificación de un metal puro, insertando un termopar en el fundido, durante su enfriamiento.

Metales Puros. Se puede observar la solidificación de un metal puro insertando un termopar en una fusión contenida en un crisol pequeño y registrando el cambio de temperatura con el tiempo. Si no se suministra calor, la fusión se enfría gradualmente, liberándose calor sensible o energía interna, hasta que en Tm, se forman cuerpos cristalinos muy pequeños, núcleos, en varios puntos de la fusión. Ahora la temperatura permanece constante mientras los núcleos crecen por la deposición de más átomos en la misma orientación cristalográfica y el calor de la fusión es removido. Cuando toda la fusión se solidifica, la temperatura baja de nuevo y el sólido libera su energía calorífica sensible. El

cuerpo solidificado es policristalino, es decir, consiste de muchos cristales orientados aleatoriamente (usualmente llamados granos). Las propiedades mecánicas y de otros tipos, depende en gran medida de cómo estén orientados dichos granos. Sí, los granos tienen una dirección predominante, es decir tienden a tener una longitud mayor en una dirección que en cualquiera de las otras dos (recuerde que los cristales crecen en un sistema de tres dimensiones, 3D), es seguro que el material presente propiedades anisotrópicas, es decir, que va a presentar una respuesta diferente en cada dirección “X”, “Y”, “Z”, en la que sea ensayado el material. Esta conducta también se puede presentar por deformaciones

inferidas en la estructura cristalina del material por procesos de deformación volumétrica; especialmente si son procesos, adelantados en frio, como son por ejemplo: el trefilado, el doblado, la compresión, el embutido, etc. En otras oportunidades, dependiendo de la forma de enfriamiento del material o por procesos posteriores de normalizado, se pueden lograr granos con características similares en todas direcciones, pero orientados aleatoriamente, presentando un comportamiento isotrópico (tiene las mismas propiedades en todas las direcciones) y sus propiedades representan una medida en todas las direcciones cristalográficas. El arreglo de empaquetamiento de los átomos es característico del metal y se puede describir a través de la celda unitaria (el volumen más pequeño que define del todo al arreglo atómico). Para metales prácticos de ingeniería, son importantes tres tipos de redes: Cúbica Centrada en las Caras – FCC –, con átomos en cada esquina y en medio de la cara de un cubo; Cúbica Centrada en el Cuerpo – BCC –, con átomos en cada esquina y en medio de un cubo; y hexagonal compacta – HCP –, con un átomo en cada esquina, en el centro de la cara externa (plano basal) y en tres sitios en medo del cuerpo. La estructura tiene funciones importantes en la solidificación y en la deformación plástica. Algunos metales experimentan, en estado sólido, un cambio en la estructura cristalina (transformación alotrópica) a

una temperatura crítica, en la cual liberan el calor latente de transformación. Por conveniencia, las diferentes forma cristalográficas del mismo metal se denotan con letras griegas. De esta forma, al enfriarse, el hierro-δ –BCC–, cambia a hierro-γ –BCC– a 1.400 ºC y de nuevo cambia a hierro-δ –BCC– a 906 ºC. El titanio-β – HCP–, cambia al enfriarse a titanio-α –BCC– a 880 ºC. Con frecuencia, las transformaciones alotrópicas están acompañadas por un cambio en volumen, lo que puede ocasionar esfuerzos internos suficientes para causar agrietamientos. Soluciones Solidas. La mayor parte de los metales técnicamente importantes, no son metales puros, sino que contienen una variedad de otros elementos metálicos y no metálicos, que pueden añadirse intencionalmente (elementos de aleación) o que están presentes por que no pudieron ser removidos por razones económicas (elementos

menores, impurezas o contaminantes). En condiciones

favorables, el elemento de aleación puede estar distribuido de manera uniforme en el metal base, formando una solución sólida. Hay dos posibilidades, al momento de tener una solución solida: 1. El elemento de aleación (soluto) tiene una estructura similar a la del metal base (solvente); tiene un radio atómico similar dentro del 15% y satisface algunos criterios de compatibilidad en la estructura electrónica.

Curva de solidificación de un metal puro.

Para metales prácticos de ingeniería, son importantes tres tipos de redes: Cúbica Centrada en el Cuerpo – BCC –; Cúbica Centrada en las Caras – FCC –; y hexagonal compacta – HCP –

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Por: Ing. Ricardo A. Forero R. Así, los átomos soluto pueden reemplazar a los átomos del solvente para dar una solución sólida sustitucionales. Algunos metales pueden formar soluciones sólidas sobre todo el intervalo de composición (por ejemplo, el Cobre y el Níquel, con radios atómicos de 0,128 y 0,125 nm, respectivamente).

adyacente entre los átomos del solvente por medio de la difusión intersticial; como no se requiere vacancia la difusión es rápida. Si los átomos del soluto no están distribuidos de modo uniforme en una solución sólida, se difundirán hasta que se eliminen los gradientes de concentración.

gradualmente; la aleación menos rica en Ni se solidifica hacia los núcleos hasta que, a 1.270 ºC, toda la fusión desaparece. Si la solidificación fuera muy lenta y los átomos de Cu pudieran difundirse hacia los cristales ya solidificados, la composición sería uniforme en todas partes a 50 %wt Ni – 50 %wt Cu.

2. Los átomos del soluto son mucho más pequeños (