Metalurgia: principales metales y aleaciones utilizadas en la industria
La metalurgia es la ciencia y técnica de la obtención y tratamiento de los metales desde minerales metálicos hasta los no metálicos. También estudia la producción de aleaciones, el control de calidad de los procesos vinculados así como su control contra la corrosión. Además de relacionarse con la industria metalúrgica.
INTRODUCCIÓN
Los metales tienen una gran importancia para nuestra sociedad desarrollada de hoy en día. Sin los metales y los recursos minerales seguramente no podríamos tener muchos de los “lujos” de los que disponemos:
Muchos de los importantes inventos que han permitido un avance en el desarrollo de la humanidad no se habrían podido llevar a cabo.
Por poner varios ejemplos citamos por ejemplo los medios de transporte modernos (como el avión, los buques, los coches, trenes...), ya que son necesarios en su fabricación.
EL HIERRO
Es un metal de color gris, dúctil, maleable, tenaz y magnético, conocido desde la prehistoria y el más utilizado para uso industrial, casi siempre con cierto contenido de carbono y en forma de aleaciones con otros metales, aceros y fundiciones.
Es un elemento simple perteneciente al grupo VIII de la tabla periódica. Símbolo Fe, número atómico 26 y masa atómica 55,847.
El Hierro es el principal metal utilizado en la industria moderna. Representa un 5% de la corteza terrestre aunque desde el punto de vista de la explotación sólo tienen interés los lugares donde el acumulamiento de este metal va desde el 20 al 65 por ciento.
SIDEROMETALURGÍA.
Aplicaciones de los hierros industriales. Los hierros pueden utilizarse para la fabricación de chapas, pernos, alambres, tubos, etc., en función de las posibilidades que ofrecen para la soldadura, forja, estirado y trefilado.
Asimismo, sus propiedades magnéticas permiten usarlos, después de recocidos, en equipos electromagnéticos, para constituir los núcleos de hierro dulce. El hierro puro se emplea para elaborar aceros finos, aceros ordinarios y especiales, y como materia prima para la fusión en crisol.
ACERO
El acero es una aleación de hierro con un contenido de carbono inferior a
1,6 % y pequeñas cantidades de otros metales.
SIDEROMETALURGÍA
El proceso de fabricación industrial del acero se remonta a 1740, en que Huntsman lo obtuvo por fusión de hierro y carbón vegetal en un crisol.
Posteriormente, Cort ideó un método de afino en un horno de reverbero, denominado pudelado, que redujo los costes y aumentó la producción.
El carbono que contiene (entre 0,8 y 1,6 %) está en forma de carburo de hierro (cementita).
Los diferentes metales que se le pueden añadir en pequeña proporción mejoran sus propiedades (dureza, resistencia) y constituyen los llamados aceros especiales, como los aceros al cromo-níquel, los aceros al manganeso y los aceros rápidos.
El acero al carbono sólo contiene hierro y carbono y, según la proporción existente de este último, se clasifica en dulce (menos del 0,3 %), duro (0,5 %) o extraduro (más del 0,65 %).
El acero inoxidable contiene un 18 % de cromo y un 8 % de níquel (acero 18/8) y, como su nombre indica, presenta una resistencia óptima a la corrosión.
METALES PRECIOSOS; EL ORO
El oro es un metal amarillo, el más dúctil y maleable; es un elemento simple perteneciente al subgrupo I B de la tabla periódica (tercer período de transición), su símbolo es Au, su número atómico 79 y masa atómica 196,97.
El oro es un metal de elevada densidad, de color amarillo cuando se halla en bloque, verdoso por transparencia y negro o rojo en estado pulverulento. Es un metal blando, el más dúctil y maleable, y con él se pueden preparar hojas de grosor inferior a la milésima de milímetro (panes de oro).
Buen conductor del calor y de la electricidad, es químicamente muy estable y únicamente es atacado por el mercurio, con el que forma amalgama, y por el vapor de un halógeno; el agua regia lo disuelve por el cloro naciente que desprende. Existe un solo isótopo estable, de masa 197, y otros 10 isótopos radiactivos.
Actúa con valencia +1 y +3 y forma óxidos, hidróxidos, haluros y cianuros, todos ellos poco estables. Existen dos óxidos: el óxido auroso (Au2O), que es un polvo de color violeta cuyo hidróxido correspondiente (AuOH) es una base débil, y el óxidoáurico (Au2O3), de color pardo y cuyo hidróxido, de fórmula Au(OH)3, es un ácido débil que reacciona con bases fuertes dando auratos. Cuando el oro es disuelto por agua regia forma el ácido cloroáurico (AuCl4H), que, al ser calentado, deja como residuo cloruro auroso (ClAu). A temperaturas elevadas, el oro reacciona con los halógenos formando haluros trivalentes, como el tricloruro áurico (AuCl3) y el tribromuro áurico (AuBr3). Algunas sales de oro, como el hiposulfito y el sulfonato, se utilizan en farmacia para el tratamiento de la artritis reumatoide, si bien presentan reacciones alérgicas y efectos secundarios negativos. El oro también se utiliza en odontología y en la industria, para contactos eléctricos de precisión.
METALES PRECIOSOS; LA PLATA
La plata es un elemento simple perteneciente al subgrupo I B de la tabla
periódica (segunda serie de metales de transición). Su símbolo Ag, su número atómico 47 y masa atómica 107,87.
Conocida desde muy antiguo y utilizada siempre en joyería y como artículo de intercambio o moneda, la plata es un metal blanco, muy brillante, sonoro, pesado (densidad 10,5), dúctil y maleable, que se encuentra nativo y combinado en diversos minerales. Es el elemento mejor conductor del calor y de la electricidad y se mantiene estable ante el aire puro y el agua, aunque ennegrece por pequeñas impurezas de sulfuros.
Escasamente oxidable, es atacado por el ácido nítrico, el ácido sulfúrico en caliente y el agua regia. Junto con el oro y el platino forma el grupo de los llamados metales nobles. Presenta valencia +1 y alguno de sus compuestos más usuales son el nitrato de plata (AgNO3), el sulfuro (Ag2S) y los haluros. El proceso metalúrgico de obtención es principalmente el de cianuración, y también el antiguo procedimiento de copelación; el método de amalgamación ha caído en desuso. Se utiliza en joyería, en contactos eléctricos de aparatos de precisión, en recubrimientos electrolíticos y en la fabricación de espejos.
EL PLOMO
El plomo es un elemento simple perteneciente al subgrupo IV B de la tabla periódica (familia del carbono). Símbolo Pb, número atómico 82 y masa atómica 207,19. Es un metal muy pesado, dúctil, maleable y de color gris azulado
Conocido desde muy antiguo (ya existían minas de plomo hace 5.000 años), el plomo fue usado por los romanos en las conducciones de agua, y los alquimistas lo consideraban como «el más viejo de los metales». Se encuentra en la naturaleza en forma de sulfuro (galena) y óxido (minio), principalmente.
Es un metal maleable, muy blando, pesado (densidad 11,35), de bajo punto de fusión y de color gris azulado brillante en corte reciente, que se empaña en contacto con el aire al formarse una capa de óxido que le sirve de protección.
Existen cuatro isótopos estables y numerosos radioisótopos. Presenta valencias +2 y +4, forma diversos óxidos y es atacado por los hidróxidos y por el ácido nítrico.
En general, todos los compuestos de plomo presentan una toxicidad más o menos elevada, lo que constituye una limitación a sus aplicaciones. La obtención del plomo metálico se realiza en diversas fases.
- En primer lugar se procede a la tostación del mineral, con lo que se elimina el azufre siempre presente.
- En segundo lugar se lleva a cabo una fusión reductora en hornos de cuba.
- Finalmente se procede al afino para librarlo del resto de impurezas(cobre, estaño y arsénico, principalmente).
EL MERCURIO
El mercurio es un elemento simple perteneciente al subgrupo IIB de la tabla periódica, que forma con el cinc y el cadmio la tercera serie de transición. Su símbolo es Hg, su número atómico 80 y su masa atómica 200,59.
Conocido desde la más remota antigüedad, el mercurio es un metal argénteo y el único elemento, además del bromo, que se mantiene líquido a temperatura ordinaria.
Se encuentra ocasionalmente nativo y con mayor frecuencia formando el sulfuro rojo o cinabrio, del que se extrae por tostación al aire.
Es un metal muy tóxico, incluso por absorción cutánea o por inhalación de sus vapores.
Se utiliza en la fabricación de termómetros y barómetros, en electrotecnia y en la fabricación de las lámparas de vapor de mercurio.
METALES PRECIOSOS; EL PLATINO
El platino es un elemento simple perteneciente al grupo VIII de la tabla periódica (metales de transición). Su símbolo es Pt, su número atómico 78 y su masa atómica 195,09.
El platino, conocido desde antiguo, es el más preciado de los metales usados en joyería.
Se encuentra nativo, en forma de gránulos o escamas, aleado con el iridio, el osmio y el cobre en depósitos aluviales, y como componente de diversos minerales, por lo general en forma de arseniuro.
Es un metal blanco, brillante, dúctil y maleable, muy pesado (densidad 21,4) y buen conductor del calor y de la electricidad.
Además de su clásica aplicación en joyería, se emplea en electrotecnia y en la industria electrónica para fabricar resistencias, contactos eléctricos y termopares.
EL MAGNESIO
El magnesio1 es un elemento simple perteneciente al subgrupo II A de la tabla periódica (metales alcalinotérreos). Símbolo Mg, número atómico 12 y masa atómica 24,312.
Aislado en 1808 por Davy, el magnesio es un metal blanco argénteo, ligero, maleable, con bajo punto de fusión (650 oC).
Presenta valencia +2 y se conocen tres isótopos estables y otros tres radiactivos.
Reductor activo, su comportamiento químico le asemeja al cinc y al cadmio.
En forma dividida, arde a 300 oC con llama muy luminosa, por lo que se utilizó en fotografía.
Es, además, imprescindible para la vida animal y vegetal.
Se utiliza en metalurgia, en pirotecnia y en la industria nuclear para la obtención del uranio.
EL BRONCE
EL bronce es una aleación de cobre y estaño.
El estaño acompaña al cobre en una proporción que varía entre el 10 % y el 25 %, proporción que aumenta la dureza del material.
Estas aleaciones son resistentes a la corrosión y muy maleables.
Por sus propiedades, el bronce encuentra numerosas aplicaciones:
- fabricación de muelles, cojinetes y válvulas
- elementos diversos de la industria naval.
Otros elementos que pueden formar parte de la aleación son:
que en cantidades variables, pero siempre en pequeña proporción, confieren a los distintos bronces cualidades más adecuadas al uso a que se destinen.
MANGANESO
El manganeso es un elemento simple perteneciente al subgrupo VIIA de la tabla periódica (primera serie de transición).Su Símbolo es Mn, sunúmero atómico 25 y su masa atómica 54,938.
El manganeso fue aislado por primera vez por J.G. Gahn, en 1774, por reducción de la pirolusita (MnO2).
Presenta todas las valencias del 1 al 7 y forma diversos óxidos.
Existe un solo isótopo estable y 10 radioisótopos.
Se obtiene a partir de sus óxidos y carbonatos y se utiliza principalmente en
aleación con el hierro (aceros al manganeso) y con el cobre
(cupromanganesos).
EL TITANIO
El titanio es un elemento simple perteneciente al subgrupo IV B de la tabla periódica (familia de los metales de transición). Símbolo Ti, número atómico 22 y masa atómica 47,90.
El titanio fue descubierto en 1791 por W. Gregor.
Es un metal de color blanco grisáceo, brillante, de elevado punto de fusión y muy duro.
Oxidable, reacciona en caliente con los halógenos y es atacado por el ácido nítrico y el clorhídrico.
Es muy abundante en la naturaleza, encontrándose principalmente en la ilmenita y el rutilo.
EL CROMO
El cromo es un elemento simple perteneciente al subgrupo VI B de la tabla
periódica. Símbolo Cr, número atómico 24 y masa atómica 51,99.
El primer mineral de cromo se descubrió en 1765, pero hasta principios del s. XX no se inició su obtención industrial.
El cromo es un metal pesado, muy duro, de elevado punto de fusión (1.890 o C), de brillo metálico y difícilmente oxidable.
Se obtiene por electrólisis, por reducción de la cromita o por aluminotermia.
EL NIQUEL
El níquel es un elemento simple perteneciente al grupo VIII de la tabla periódica (subgrupo de los metales ferrosos).
Descubierto en 1751, T.O. Bergman obtuvo el níquel en estado puro en 1775.
Es un metal duro, de color blanco metálico, dúctil, maleable, buen conductor del calor y de la electricidad, y presenta propiedades ferromagnéticas.
Químicamente tiene valencia +2 y +3, es atacado por los ácidos diluidos y reacciona con numerosos no metales para formar compuestos binarios, muchos de los cuales tienen color verde.
El níquel entra en la composición de numerosas aleaciones (alnico, constantán, invar, entre otras) muy utilizadas en metalurgia y,z en particular, en la fabricación de aceros
EL ANTIMONIO
El antimonio es un elemento simple perteneciente al subgrupo V B de la tabla periódica (familia del fósforo). Símbolo Sb, número atómico 51 y masa atómica 121,76.
El antimonio fue ampliamente estudiado por los alquimistas (El carro triunfal del antimonio, B. Valentín, s. xv).
Abunda en la naturaleza, en forma de trisulfuro (estibina y antimonita), y presenta tres estados alotrópicos, en los que varía el carácter metálico o no metálico. Reacciona con los metales más electronegativos (antimoniuros), con el oxígeno y con los halógenos.
Se obtiene por tostación de la estibina y se utiliza para conseguir
aleaciones de gran dureza y resistencia.
EL MOLIBDENO
El molibdeno es un elemento simple perteneciente al grupo VI de la tabla periódica (elementos de transición). Símbolo Mo, número atómico 43 y masa atómica 95,94.
Descubierto en 1778 en la molibdenita y aislado en 1782, el molibdeno es un metal de color plomizo, denso, dúctil y de elevado punto de fusión, que presenta inmejorables propiedades mecánicas.
Se obtiene de la molibdenita (MoS2) ya sea en forma de polvo grisáceo o en forma compacta.
Muy estable a temperatura ambiente, forma numerosos compuestos a causa de sus diversos grados de oxidación (entre 4 y 8).
Se utiliza principalmente en aleación con aceros y fundiciones, con objeto de mejorar sus cualidades mecánicas.
EL COBALTO
El cobalto es un elemento simple perteneciente al grupo VIII de la tabla periódica. Símbolo Co, número atómico 27 y masa atómica 58,93.
Las sales de cobalto eran conocidas desde hace milenios por la coloración azul que dan a los vidrios, pero el elemento no fue identificado como tal hasta el s. XVIII.
El cobalto es un metal dúctil, maleable, denso, duro y ferromagnético, parecido al níquel, con el que se encuentra con frecuencia en diversos minerales.
Se conocen nueve isótopos, varios de ellos radiactivos.
Presenta seis estados de oxidación, siendo los más estables +2 y +3.
A temperatura ambiente no se oxida en contacto con el aire ni es atacado por el agua, pero reacciona con facilidad con el arsénico, el antimonio y el fósforo.
El cobalto se utiliza principalmente en aleaciones con el acero y el cromo, y sus isótopos radiactivos tienen numerosas aplicaciones en investigación y en medicina nuclear (el Co-58 como trazador metabólico y el Co-60 en el tratamiento del cáncer),
mientras que sus sales se emplean como pigmentos.
