Tema 39B – Los materiales metálicos no férricos y sus aleaciones

1. – INTRODUCCIÓN.

2. – COBRE Y SUS ALEACIONES.

2.1. – OBTENCIÓN DEL COBRE.

2.2. – PROPIEDADES Y AOLICACIONES DEL COBRE.

2.3. – ALEACIONES DE COBRE.

3. – ALUMINIO Y SUS ALEACIONES.

3.1. – OBTENCIÓN DEL ALUMINIO.

3.2. – PROPIEDADES Y APLICACIONES DEL ALUMINIO.

3.3. – ALEACIONES DE ALUMINIO.

4. – PLOMO Y SUS ALEACIONES.

4.1. – OBTENCIÓN DEL PLOMO.

4.2. – PROPIEDADES Y APLICACIONES DEL PLOMO.

4.3. – ALEACIONES DE PLOMO.

5. – CINC Y SUS ALEACIONES.

5.1. – OBTENCIÓN DEL CINC.

5.2. – PROPIEDADES Y APLICACIONES DEL CINC.

5.3. – ALEACIONES DE CINC.

6. – MAGNESIO Y SUS ALEACIONES.

6.1. – OBTENCIÓN DEL MAGNESIO.

6.2. – PROPIEDADES Y APLICACIONES DEL MAGNESIO.

6.3. – ALEACIONES DE MAGNESIO.

7. – OTROS METALES NO FERREOS Y ALEACIONES.

7.1. – NIQUEL Y SUS ALEACIONES.

7.2. – ESTAÑO Y SUS ALEACIONES.

7.3. – CROMO Y SUS ALEACIONES.

7.4. – VOLFRAMIO Y SUS ALEACIONES.

7.5. – MERCURIO Y SUS ALEACIONES.

7.6. – TITANIO Y SUS ALEACIONES.

8. – BIBLIOGRAFIA.

1. – INTRODUCCIÓN.

Los productos siderúrgicos son, con diferencia, los más utilizados de los metales conocidos. Esto se debe, además de su precio relativamente económico, a sus excelentes propiedades mecánicas que, sobre todo las de los aceros, pueden variarse para amoldarlas a las conveniencias del usuario para trabajarlos más cómodamente, dándose después el punto deseado de dureza, resistencia y tenacidad.

Tienen el grave defecto de que son muy sensibles a la oxidación y corrosión atmosférica, defecto que se corrige empleando aceros aleados, pero el remedio es costoso. Por otra parte, sus propiedades no satisfacen a todas las exigencias de la técnica moderna, tales como: buena conductividad eléctrica, elevada relación resistencia-peso, facilidad de moldeo, forja y mecanizado, aspecto ornamental (color, brillo y otras).

Desde la Edad de Bronce se vienen utilizando metales y aleaciones distintos al hierro. No obstante el progreso de estas aleaciones ha permanecido estacionado durante milenios y sólo desde hace unos años, con el empleo de métodos científicos, se han conseguido aleaciones que han hecho posible las conquistas de la técnica actual. El avance espectacular de la exploración espacial es debido, en gran parte, a las investigaciones de vanguardia en el campo de las aleaciones de titanio, carburos de boro, y materiales de tipo cerámico, capaces de resistir las temperaturas de 3000ºC que se desarrollan en los cohetes.

Los metales no ferrosos se pueden clasificar en tres grandes grupos:

a) Metales no ferrosos pesados. Pertenecen a este grupo los metales como el cobre, estaño, plomo, níquel, cinc, cobalto, wolframio y cromo cuyas densidades son mayores de 5 g/cm3.

b) Metales no ferrosos ligeros. Los más importantes son el aluminio y el titanio con densidades comprendidas entre 2 y 5 g/cm3.

c) Metales no ferrosos ultraligeros. Son el magnesio y el berilio.

2. – COBRE Y SUS ALEACIONES.

Se trata de uno de los metales más antiguos empleados por el ser humano a lo largo de la historia. Los primeros vestigios de su utilización se remontan 5.000 años antes de Cristo. Sin embargo, los procesos de obtención de cobre a escala industrial sólo se producen a partir del siglo XIX. En la naturaleza, el cobre está presente en diversos minerales, como la cuprita (Cu2O), la calcopirita (Cu2S, Fe2S3) o la malaquita (CuCO3, Cu(OH)2). En ocasiones, se puede hallar en estado casi puro en forma de cobre nativo.

2.1. – PROCESO DE OBTENCIÓN:

Según la riqueza de los minerales empleados, se utilizan dos técnicas de obtención de cobre: la vía húmeda y la vía seca.

a) La vía húmeda se emplea cuando el contenido en cobre es bajo (entre el 3 % y el 10 % de riqueza). Consiste en disolver el material con ácido sulfúrico y recuperar después el cobre mediante electrólisis.

b) La técnica más habitual de obtención de cobre bruto es la denominada vía seca, aunque sólo puede utilizarse si la riqueza del mineral supera el 10 %.

Obtención de cobre por vía seca:

El mineral se somete a un proceso de trituración y molienda hasta reducirlo a polvo. Después, se procede a la separación por flotación del mineral de cobre: éste sobrenada mientras la ganga se deposita en el fondo. El mineral húmedo es sometido a un proceso de tostación en un horno. En este proceso se elimina el azufre y se forman óxidos de hierro y de cobre.

A continuación, el óxido de cobre sufre un proceso de calcinación en un horno de reverbero. Los óxidos de hierro se combinan con la sílice y forman la escoria mientras se produce la mata blanca (sulfuro de cobre). La mata se somete a un proceso de reducción en un convertidor similar a los empleados en siderurgia y se obtiene cobre bruto, mezclado con algo de óxido de cobre.

Afino:

El proceso de afino del cobre se lleva a cabo en dos fases: la fase térmica y la fase electrolítica. En la fase térmica, el cobre bruto se introduce en hornos especiales de afinación, en los que se reduce el óxido de cobre residual mediante gas natural. El cobre que sale del convertidor se vierte en moldes especiales para obtener las planchas que luego serán utilizadas como ánodo en la cuba electrolítica.

En la fase electrolítica se produce el afino final. El ánodo procede de los moldes de la fase anterior, mientras que el cátodo está formado por finas planchas de cobre puro.

Al pasar la corriente, el cobre bruto se disuelve y va colocándose sobre las planchas del cátodo En el fondo de la cuba se depositan unos barros electrolíticos que contienen pequeñas cantidades de otros metales, como oro y plata, que pueden ser recuperados. De este modo se consigue cobre electrolítico con una pureza superior al 99,85%.

2.2. – PROPIEDADES Y APLICACIONES DEL COBRE:

El cobre es un metal de color rojizo, relativamente blando, de conductividad eléctrica y térmica muy elevada, dúctil y maleable. Su elevada conductividad eléctrica ‑sólo superada por la plata‑ y su ductilidad lo hacen especialmente indicado para la fabricación de cables eléctricos y bobinados.

El aire seco y el agua pura no lo atacan a ninguna temperatura y, por ello, suele utilizarse para la fabricación de tubos y calderas que se emplean en intercambiadores de calor y en las instalaciones domésticas. Sin embargo, es poco resistente a los agentes atmosféricos. El cobre, a la intemperie, se recubre de una capa de carbonato, de color verdoso, denominada cardenillo, que le protege de la oxidación posterior.

Es medianamente resistente a la agresión de los ácidos. El ácido clorhídrico no le ataca en ninguna circunstancia. El ácido sulfúrico sólo consigue disolverlo si se trata de una disolución concentrada y caliente. En cambio, el ácido nítrico lo ataca fácilmente.

2.3. – ALEACIONES DE COBRE:

Por tratarse de un material relativamente blando, se alea con el aluminio (bronce de aluminio), el cinc (latones), el estaño (bronces) y con otros metales para mejorar su dureza y su resistencia a la tracción.

a) Bronce de aluminio: Es una aleación formada por un 90 % de cobre y un 10 % de aluminio. Aumenta sensiblemente la dureza del cobre y es mucho más resistente a la corrosión que cualquiera de los metales por separado. Por su resistencia frente a los agresivos químicos, se utiliza en la industria para la fabricación de equipos que están expuestos a líquidos corrosivos.

b) Latones: Se denominan así las aleaciones de cobre con cinc y son conocidas desde la Antigüedad. El latón es menos resistente a los agentes atmosféricos que el cobre, pero soporta mejor el agua y el vapor. En la actualidad se emplea mucho para fabricar casquillos de ajuste de piezas mecánicas. Las aleaciones cobre ‑ cinc están normalizadas y se añaden nuevos metales, como el estaño, el aluminio y el plomo, que mejoran sus propiedades mecánicas. Si se aumenta el porcentaje de cobre, mejora la moldeabilidad de la pieza. Añadiendo a la aleación pequeñas cantidades de estaño y aluminio, se consigue mejorar su resistencia a la corrosión marina. Si se añade algo de plomo, mejora su capacidad de mecanizado.

c) Bronces: Se denominan así las aleaciones de cobre con estaño o con cualquier otro metal, excepto el cinc. Son conocidas desde la Prehistoria. Los bronces, en general, son aleaciones de elevada resistencia mecánica y buena resistencia a la corrosión, superior a la de los latones. Dependiendo de la presencia de otros metales en la aleación, se distinguen los bronces para forjar y los bronces para fundir. Los bronces para forjar poseen porcentajes muy bajos de otros metales. Tienen gran resistencia a la tracción y al desgaste, y se emplean para fabricar chapas, flejes alambres y engranajes. Los bronces para fundir tienen magníficas cualidades para el deslizamiento. Si se añade plomo a la aleación, ésta adquiere cualidades autolubricantes y se emplea para la fabricación de cojinetes. Existen bronces especiales, como los empleados para fabricar campanas, y otros de fácil fusión, utilizados en la producción de lámparas y objetos artísticos.

3. – ALUMINIO Y SUS ALEACIONES.

Constituye uno de los principales componentes de la corteza terrestre, de la que forma parte en una proporción del 8,13 %, sólo superada por el silicio, que representa un 28 %. Ambos elementos se presentan habitualmente combinados en forma de silicatos de aluminio, que no sirven como mena de este metal. Por esta razón, el aluminio era desconocido como material de uso industrial hasta el siglo pasado.

En 1821 se descubrió en Les – Baux – de Provence (Francia) el único mineral del que es posible extraer aluminio en grandes cantidades: la bauxita

Se trata de óxido hidratado de aluminio mezclado con óxido de hierro y otros materiales. Se presenta en masas compactas de diversos colores y puede llegar a contener hasta un 65 % de riqueza. La bauxita, una vez extraída, es sometida a un cuidadoso tratamiento para obtener de ella el aluminio metálico.

3.1. – OBTENCIÓN DEL ALUMINIO:

En la actualidad, para la obtención de aluminio se emplea el denominado método Bayer, que consta de dos fases: la obtención de la alúmina y el afino electrolítico.

a) Obtención de la alúmina (Al2O3): En primer lugar, se somete la bauxita a un proceso de molienda hasta convertirla en polvo fino. Una vez molida, se mezcla con cal, sosa cáustica y vapor de agua sobrecalentado. De este modo, se produce la disolución del óxido de aluminio en la sosa. Las impurezas del mineral, que permanecen en estado sólido sin disolverse, se eliminan por decantación. Posteriormente, se añade agua a la disolución para provocar la precipitación del óxido de aluminio y separarlo de la sosa en la que estaba disuelto. El producto así obtenido recibe el nombre de alúmina. La alúmina se somete después a un proceso de calcinación a 1200ºC, para eliminar el exceso de agua.

b) Afino electrolítico: La alúmina se funde con criolita (sustancia encargada de protegerla de la oxidación) y se somete a un proceso electrolítico que separa el aluminio del oxígeno. El oxígeno forma monóxido y dióxido de carbono y se desprende, mientras que el aluminio puro va depositándose en estado fundido en el fondo de la cuba, de la que se extrae por medio de una cuchara. Esta fase consume mucha energía. Para obtener una tonelada de aluminio se requieren 4 toneladas de bauxita, 80 kilogramos de criolita, 600 kilogramos de electrodos de carbón y 17.000 a 24.000 kw/h.

3.2. – PROPIEDADES Y APLICACIONES DEL ALUMINIO:

El aluminio es un metal de color plateado, muy blando, de baja densidad, conductividad eléctrica alta y muy dúctil y maleable. Puede ser laminado tanto en frío como en caliente. Mediante laminación en caliente, pueden obtenerse chapas de diferente grosor, hasta un mínimo de 5 mm. Si se lamina en frío, las planchas llegan a tener hasta 0,005 mm. de espesor (papel de aluminio). Mediante procesos similares a los empleados con el cobre, se obtienen perfiles de diversos tipos, como tubos, barras e hilos. Presenta una elevada afinidad por el oxígeno, lo que hace que su superficie se oxide rápidamente. Sin embargo, la capa de óxido que se forma ‑del orden de centésimas de micra‑ es totalmente compacta e impide la oxidación posterior del resto de la masa metálica.

La resistencia a la corrosión puede ser mejorada mediante una técnica denominada anodizado. Consiste básicamente en hacer actuar el aluminio como ánodo en una cuba electrolítica, con lo que se consigue que éste se recubra de una fina película que lo protege de la corrosión. Su principal inconveniente radica en que resulta difícil de soldar, debido a la capa de óxido. Para conseguir esta forma de unión hay que utilizar una pistola de soldadura eléctrica, provista de un electrodo de volframio que permite inyectar el gas inerte argón para evitar la oxidación durante el proceso.

3.3. – ALEACIONES DE ALUMINIO:

Por tratarse de un material muy blando, para su uso industrial se alea con otros metales, como el cobre, el magnesio, el silicio, el níquel y el cobalto, entre otros. Se obtienen así las denominadas aleaciones ligeras, en las que el aluminio puro está presente en proporciones que oscilan entre el 85 y el 99 %.

Todas ellas mejoran las cualidades del aluminio en cuanto a dureza, resistencia mecánica y facilidad para el mecanizado con arranque de viruta.

La aleación con cobre se conoce con el nombre de duraluminio (95,5 % Al y 4,5 % Cu) y se emplea en la construcción.

La aleación de aluminio‑magnesio se utiliza para la fabricación de estructuras resistentes en las industrias aeronáutica y naval. También se emplea en la fabricación de automóviles y bicicletas.

La aleación de aluminio‑silicio permite obtener una fundición inyectable, que se emplea en la construcción de motores.

La aleación con níquel y cobalto, conocida abreviadamente como alnico, se utiliza para fabricar imanes permanentes.

Por su baja densidad y su conductividad relativamente alta, el aluminio se emplea como sustituto del cobre en cables de conducción eléctrica de gran longitud. No obstante, para evitar fracturas, estos cables suelen llevar alma de acero. Gracias a la fina capa de óxido que lo protege, resulta especialmente útil en la fabricación de utensilios de cocina.

4. – PLOMO Y SUS ALEACIONES.

Como ocurría con el cobre, el plomo es uno de los metales conocidos y empleados por el ser humano desde hace más de 4000 años. Existen vestigios de su utilización en las civilizaciones de Oriente Medio, aunque parece ser que fueron los griegos quienes consiguieron aislar plomo metálico por primera vez hacia el 550 a. C. Sin embargo, hubo que esperar al siglo XIX para que este metal comenzara a utilizarse a escala industrial.

La principal mena de plomo es la galena, compuesta básicamente por sulfuro de plomo, al que acompañan otros metales, como el cobre, la plata o el oro. Es un mineral de color gris metálico, blando, pesado y muy frágil, ya que se rompe fácilmente en cubitos.

4.1. – OBTENCIÓN DEL PLOMO:

La obtención industrial de plomo consiste básicamente en reducir la galena y separar el plomo de los metales que lo acompañan. El proceso consta de tres fases: tostación, fusión y afino.

·En la fase de tostación, la galena se mezcla con sílice, caliza y material fundente, y se calienta en presencia de aire hasta que el sulfuro de plomo se convierte en óxido.

·En la fase de fusión, se utiliza un horno alto, similar a los empleados en siderurgia. El óxido de plomo se mezcla con coque, caliza y fundente, y se insufla una corriente de aire.

El carbón reduce el óxido de plomo y forma plomo metálico impurificado con otros metales. los demás componentes funden con la caliza y forman la escoria.

·En la fase de afino, se procede a la separación de los metales que acompañan al plomo. Mediante diferentes tratamientos, se eliminan sucesivamente el cobre, el arsénico, el antimonio, el estaño, la plata y el cinc.

Algunos de ellos pueden ser recuperados por tratamientos posteriores. Mediante este procedimiento se obtiene plomo bruto, todavía parcialmente impurificado. Si se desea obtener plomo electrolítico, hay que someterlo a un proceso similar al del cobre. En este caso, el ánodo está formado por planchas de plomo bruto y el cátodo por láminas de plomo puro. La corriente eléctrica provoca la emigración del plomo desde el ánodo hasta el cátodo. De los barros electrolíticos que se depositan en el fondo se pueden recuperar la plata y el oro.

4.2. – PROPIEDADES Y APLICACIONES DEL PLOMO:

El plomo es un metal de color gris plateado, muy blando, de densidad elevada, baja conductividad eléctrica y térmica, flexible y maleable. Puede ser laminado en frío, pero no estirado en hilos, ya que es muy poco dúctil y resiste mal la tracción. Presenta afinidad por el oxígeno, lo que hace que su superficie de corte, inicialmente brillante, se oxide en contacto con el aire y pierda el brillo. Como en otros casos, la capa de óxido impide que el proceso se propague al interior de la masa metálica. Es particularmente resistente a la corrosión provocada por los ácidos fuertes, como el clorhídrico, el sulfúrico o el nítrico. Por el contrario, es atacado por la mayoría de los ácidos orgánicos débiles, como el ácido acético.

En estado puro, se trata de un material extraordinariamente blando. Puede rayarse con la uña y absorbe muy bien las vibraciones, Por este motivo, no suena cuando se le golpea.

Su elevada densidad lo hace opaco a las radiaciones electromagnéticas, por lo que se utiliza como escudo protector en instalaciones médicas de radiología y en centrales nucleares.

Tradicionalmente se ha empleado para fabricar tuberías, pero, en la actualidad, ha sido reemplazado con ventaja por otros materiales.

Por su particular comportamiento frente a los ácidos, se utiliza para fabricar recipientes que hayan de contenerlos, como las baterías y los acumuladores eléctricos. En cambio, nunca debe emplearse como envase de productos alimenticios. Se usa como aditivo en la industria del vidrio, al que confiere mayor peso y dureza. Esta característica le hace especialmente útil en la industria de producción de lentes.

Las aleaciones de estaño y plomo se utilizan como material de aportación en la denominada soldadura blanda. Si se le añade algo de antimonio, se le confiere mayor dureza.

El plomo constituye un peligroso veneno mineral, ya que el organismo humano es incapaz de eliminarlo. la intoxicación por plomo y sus derivados se denomina saturnismo y produce intensos dolores intestinales, cefaleas, alucinaciones e hipertensión arterial.

Esta enfermedad puede contraerse de diversos modos: por vía respiratoria, si se inhalan vapores procedentes de los procesos industriales o de la combustión de sustancias que contienen plomo; por vía digestiva, al ingerir sustancias que contienen sales de plomo disueltas; o por vía cutánea, si una herida entra en contacto con sustancias que contienen plomo. Actualmente, el saturnismo está prácticamente erradicado, gracias a las medidas de seguridad e higiene que se han ido implantando progresivamente. Buena muestra de ello es el proceso actual de sustitución de las gasolinas tradicionales por gasolinas sin plomo o la prohibición absoluta de utilizar envases de plomo en productos alimenticios.

4.3. – ALEACIONES DE PLOMO:

a) Aleaciones plomo – antimonio: En general, el antimonio eleva la resistencia, dureza, límite de fatiga y fluencia del plomo. Produce también un fuerte incremento de la resistencia y un aumento menos sensible del calor específico. Por otro lado, disminuye el peso específico, la temperatura del intervalo de solidificación, la conductividad térmica y la contracción de solidificación.

Las aplicaciones más importantes son:

– Aleaciones con 1% a 3% de antimonio (Sb): productos laminados como papel de plomo para embalajes y revestimientos de cables. La maleabilidad es mayor cuanto menor es el contenido en antimonio.

– Aleaciones con 6% a 12% de antimonio: Piezas de fundición como placas de acumuladores y accesorios de protección contra radiaciones,… etc.

b) Aleaciones plomo – estaño: El plomo y el estaño se emplean casi siempre unidos en aleaciones de gran importancia industrial, siendo los casos más importantes las aleaciones para cojinetes y para soldaduras. Uno de los materiales para cojinetes mejores y más antiguos es la “antifricción” de estaño, o legítima, compuesto de alrededor del 84% de Sn, 8% de Cu y 8% de Sb. Dado el elevado precio del estaño, una antifricción mucho más utilizada es la de plomo, compuesta por un 85% de Pb, 4,5% de Sn, 10% de Sb y 0,5% de Cu. Sin embargo, para grandes velocidades y cargas más bien altas las antifricciones de Pb se muestran insuficientes. Las soldaduras blandas o blancas, son esencialmente aleaciones de Pb y Sn de composición 61,9% de Sn. Existen muchas composiciones, pero debido al mayor precio del Sn, suelen emplearse las de composición 50-50% y las ricas en plomo.

5. – CINC Y SUS ALEACIONES.

Parece ser que los primeros en obtener este metal en estado puro fueron los persas, hacia el siglo VI d. C., pero la palabra cinc fue utilizada por primera vez por Paracelso a mediados del siglo XVI para designar un material que venía de Oriente. Sin embargo, hasta 1758 no se desarrolló un proceso industrial de obtención de cinc a partir de los minerales en los que se encuentra. Su mena principal es la blenda (ZnS), que es una mezcla de sulfuros de cinc y plomo, con un porcentaje de riqueza superior al 50 %. Otros minerales de cinc son la calamina smithsonita, que es carbonato de cinc (ZnCO3), y la calamina willemita, que es silicato hidratado de cinc (SiO2 2ZnO). En ellos, la proporción de cinc no supera el 50%.

5.1. – OBTENCIÓN DEL CINC:

La metalurgia del cinc está frecuentemente asociada a la del piorno en la denominada vía seca. En este proceso se somete el mineral a una fase de tostación para obtener óxido de cinc y, después, se reduce el óxido en un horno de retorta con ayuda de carbón. El metal obtenido puede afinarse posteriormente por procedimientos electrolíticos.

La vía húmeda, más reciente, consiste en tratar el mineral triturado con una disolución de ácido sulfúrico. El cinc se disuelve en forma de sulfato de cinc y las impurezas precipitan. La disolución se trata más tarde por métodos electrolíticos para recuperar el cinc.

5.2. – PROPIEDADES Y APLICACIONES DEL CINC:

El cinc es un metal de color gris azulado, brillante, frágil en frío y relativamente blando. Es inalterable al aire seco, pero el aire húmedo lo oxida y hace que pierda su brillo. La capa de óxido que lo empaña lo protege de una oxidación más profunda. No resiste la acción de los ácidos ni de los agentes alcalinos

Debido a su resistencia, se ha utilizado tradicionalmente en forma de planchas para cubiertas, cañerías y canalones. Forma parte de algunas aleaciones importantes, como los latones, los bronces y la alpaca (aleación de cobre, níquel, cinc y estaño).

Su principal aplicación es el recubrimiento de piezas de hierro y acero mediante los procesos de galvanizado.

– Mediante el galvanizado electrolítico se consigue recubrir las piezas con una delgada capa de cinc, de 10 o 12 p, que las protege de la corrosión. Resulta costoso por su gran consumo energético.

– El galvanizado en caliente consiste en sumergir las piezas que se desea recubrir en un baño de cinc fundido durante un corto período de tiempo. Con ello se consigue una capa de recubrimiento de 50 a 60 p, con un coste energético unitario mucho menor. Este procedimiento se emplea actualmente para proteger las estructuras que han de quedar a la intemperie, como farolas semáforos, torres de alta tensión, verjas y vallas protectoras de las carreteras.

5.3. – ALEACIONES DEL CINC:

El cinc participa en la composición de numerosas aleaciones donde no es el elemento más abundante: latones, alpacas, antifricciones. Las aleaciones de cinc más empleadas para la fabricación de piezas por moldeo, son las conocidas por Zamak o calaminas. Están formadas por cinc, aluminio, magnesio y cobre, y se moldean generalmente a presión (inyección), aunque también pueden moldearse por gravedad. Las aleaciones de Zamak se emplean para la fabricación por moldeo de piezas como manivelas de elevación de cristales, manezuelas de puertas de automóviles,… etc. Como ejemplo el Zamak-3, compuesto por 4% de aluminio, 0,04% de magnesio, y el resto de cinc. Recientemente han aparecido aleaciones de cinc y aluminio con contenidos altos de este último, resultando una resistencia mecánica, dureza y resistencia al desgaste mejores. Son muy buenas para fabricar cojinetes.

6. – MAGNESIO Y SUS ALEACIONES.

Aunque sus compuestos están muy difundidos por la naturaleza, no se encuentra en estado libre y por ello era desconocido hasta el siglo XVIII En 1808, el químico británico Humphry Davy aisló el metal impuro, al que denominó magnesium. Sus compuestos más comunes son silicatos de magnesio, como el talco, el asbesto, la sepiolita, el olivino o la serpentina. El cloruro de magnesio se encuentra disuelto en el agua del mar. Los minerales de magnesio más utilizados son: dolomita (MgCO3, CaCO3) y la magnesita (MgCO3).

6.1. – OBTENCIÓN DEL MAGNESIO:

Se puede obtener por dos procedimientos: por tratamiento térmico y por electrólisis.

– El tratamiento térmico se aplica a los silicatos y carbonatos de magnesio. Consiste en someterlos a elevadas temperaturas en un horno eléctrico junto con agentes reductores del oxígeno. De este modo se libera el magnesio metálico.

– La electrólisis se aplica al cloruro de magnesio fundido. Éste se coloca en una cuba que hace de cátodo y en la que se introduce una barra de carbón que hace de ánodo. El magnesio liberado en estado de fusión, como es menos denso que el cloruro, queda flotando sobre éste, se retira por medio de una cuchara y se vierte en moldes.

6.2. – PROPIEDADES Y APLICACIONES DEL MAGNESIO:

El magnesio es un metal de color blanco brillante, muy ligero, blando, maleable y poco dúctil. Es inalterable en aire seco, pero la humedad provoca la aparición de una capa de carbonato muy porosa que no protege al metal, de modo que, con el tiempo, llega a corroerse por completo. Tiene gran afinidad por el oxígeno, con el que reacciona de manera muy rápida cuando está finalmente pulverizado.

Su combustión casi explosiva determinó su utilización como flash de las antiguas cámaras fotográficas. En la actualidad, esta propiedad se emplea en lámparas relámpago y en pirotecnia. Se utiliza como agente reductor para obtener otros metales, como el titanio, el circonio el tántalo y el uranio, a partir de sus cloruros.

6.3. – ALEACIONES DE MAGNESIO:

Por su densidad extraordinariamente baja, forma aleaciones ultraligeras (de densidad inferior a 2000 kg/m3) con otros metales, como el manganeso, el cinc y el aluminio. Éstas se emplean en la industria aeronáutica y en la fabricación de bicicletas, automóviles y motocicletas de competición.

Según su composición, las aleaciones ultraligeras se clasifican en aleaciones para fundición (Fumagal 6, 6% de Al, 3% Mn, para moldeo en arena) y aleaciones para forja. Entre estas últimas destacan la aleación magnam (1 % a 2 % de manganeso), la magzin (2 % a 3 % de cinc) y la magal (7 % a 9 % de aluminio).

7. – OTROS METALES NO FERREOS.

7.1. – NIQUEL Y SUS ALEACIONES:

Aunque en la Antigüedad ya se acuñaban monedas con aleaciones de cobre y níquel, este metal fue descubierto y aislado en 1751 por el químico sueco Axe F. Cronstecit. Su aprovechamiento industrial, como el de la mayoría de los metales, data de finales del siglo XIX.

Los principales minerales de los que se obtiene el níquel son la niquelita, que es una mezcla de sulfuros de hierro, níquel y cobre, y la ganierita, un silicato hidratado de níquel y magnesio. Su riqueza en metal nunca sobrepasa el 6 %.

· Obtención del níquel: Para obtener níquel metálico se sigue un proceso similar al del cobre: primero, se tritura y muele el mineral y se separan los sulfuros por flotación, después, se tuesta la mezcla hasta obtener la mata de óxido de níquel; posteriormente, se reduce éste con carbono y, finalmente, se afina el metal por métodos electrolíticos, utilizando ánodos de níquel impuro y cátodos formados por láminas de níquel puro.

· Propiedades: El níquel es un metal de color blanco brillante, medianamente duro, tenaz, dúctil y maleable. Junto con el hierro y el cobalto, forma el grupo de materiales ferromagnéticos. Es muy resistente a la corrosión, tanto de los agentes atmosféricos, como de los ácidos y las sustancias alcalinas

· Aplicaciones: Debido a su gran resistencia a la corrosión, se emplea en la industria alimentaria y en la química para el revestimiento electrolítico de chapas de acero dulce. Este método se denomina niquelado. Rara vez se utiliza en estado puro.

· Aleaciones: Es frecuente encontrarlo formando aleaciones con el cobre, el hierro, el cromo, el volframio y el manganeso, a las que confiere un carácter inoxidable. Las aleaciones que contienen níquel se clasifican según el porcentaje de este metal.

Entre las de alto porcentaje en níquel, en las que éste llega a alcanzar hasta el 80 %, destacan la aleación con hierro, al que confiere gran resistencia a la corrosión y mejora sus propiedades magnéticas; el nicrom, utilizado para fabricar resistencias eléctricas por su alta resistividad; y el invar empleado en relojería por su coeficiente de dilatación prácticamente nulo.

En las de bajo contenido en níquel, su porcentaje de presencia no supera el 15 %. Suele alearse con hierro y acero por las características mecánicas de éstos y por facilitar los tratamientos de templado. Los materiales que se obtienen resultan muy resistentes a la acción de los agentes atmosféricos y de los agresivos químicos, por lo que suelen emplearse para fabricar utensilios de cocina, material quirúrgico y de laboratorio, y acumuladores de energía eléctrica.

7.2. – ESTAÑO Y SUS ALEACIONES:

Aunque es conocido desde la Antigüedad, durante mucho tiempo se le consideró como una variante del plomo. Se extrae básicamente de un mineral denominado casiterita (SnO3), que contiene óxido de estaño. Sin embargo, su riqueza en estaño es tan baja que a menudo es necesario tratar hasta una tonelada de mineral para conseguir 200 gramos de metal puro.

· Obtención: Dada su baja riqueza en estaño, es necesario concentrar previamente el mineral. Para ello, se tritura y se lava con el fin de separar la ganga. Posteriormente, se somete a un proceso de tostación para eliminar los sulfuros que pueda contener. Finalmente, el óxido de estaño se reduce en un horno de reverbero, utilizando antracita El estaño fundido se recoge en el fondo del horno y se moldea en bloques.

El proceso de afino se lleva a cabo en una cuba electrolítica. En este caso, el ánodo está formado por planchas de estaño bruto y el cátodo, por láminas de estaño puro.

· Propiedades: El estaño es un metal de color blanco brillante, muy blando, de estructura cristalina, poco dúctil pero muy maleable. Su estructura cristalina se pone de manifiesto al doblar una barra de estaño: se escucha un ruido característico, denominado grito del estaño, producido por el rozamiento de los cristales entre sí. Puede ser laminado en finas planchas, que forman el papel de estaño. Es muy estable y resistente a los agentes atmosféricos a temperatura ambiente, aunque puede ser atacado con ácidos y productos alcalinos

· Aplicaciones: El papel de estaño fue utilizado antes de la Segunda Guerra Mundial como embalaje de alimentos. En la actualidad ha sido sustituido con ventaja por el papel de aluminio, por su menor coste económico. Por su resistencia a la oxidación, casi la mitad de la producción mundial de estaño se emplea como recubrimiento electrolítico de otros metales, por ejemplo, el acero. De este modo se obtiene la hojalata.

· Aleaciones: Como ya se ha indicado, constituye un elemento imprescindible en multitud de aleaciones:

– Los diversos tipos de bronces, en los que participa en proporciones inferiores al 25 %.

– El denominado metal blanco (aleación de cobre, estaño y plomo), empleado en la fabricación de cojinetes.

– Las aleaciones fusibles, utilizadas para construir componentes eléctricos de control, y la soldadura blanda, formada a base de estaño y plomo.

7.3. – CROMO Y SUS ALEACIONES:

Fue descubierto en 1797 por el químico francés Louis N. Vauquelin (1763‑1829) tras analizar un mineral encontrado en Siberia. Su nombre deriva del griego chroma (color) por formar compuestos de vivos colores. La principal fuente de cromo es un mineral denominado cromita que es un compuesto de hierro y cromo, cuya riqueza es tan sólo de 100 ppm (partes por millón).

· Obtención: Para extraer el cromo, se utiliza el método Goldschmidt, que consiste en reducir la cromita por tostación empleando aluminio en polvo. De este modo se consigue un material parcialmente impurificado con hierro, denominado ferrocromo. Si se desea obtener el metal en estado muy puro, se le somete a un proceso de afino electrolítico, partiendo de una disolución de ácido crómico y empleando un ánodo de plomo.

· Propiedades: El cromo es un metal de color blanco brillante, muy duro, frágil y de estructura cristalina. Es muy resistente a la oxidación y la corrosión, y soporta bien las altas temperaturas conservando su aspecto brillante.

· Aplicaciones: Por su gran resistencia a la corrosión debida a los agentes atmosféricos y a otros agentes químicos, se emplea frecuentemente como cubrimiento electrolítico de otros metales, técnica que recibe el nombre de cromado. Sin embargo, esta capa resulta muy porosa y quebradiza, dado el carácter frágil del cromo. Por ello, el metal debe recubrirse primero de una capa de cobre o níquel y, posteriormente, se deposita la de cromo.

· Aleaciones: El acero al cromo es una aleación de extraordinaria utilidad industrial, ya que se emplea en la fabricación de cigüeñales y rodamientos por su gran dureza, tenacidad y resistencia a la tracción. También se utiliza en blindajes y maquinaria de corte. Constituye, junto con el níquel, otro de los aleantes básicos de los denominados aceros inoxidables y de los empleados en la fabricación de resistencias eléctricas. Sus compuestos se utilizan en la obtención de pigmentos colorantes.

El cromo en estado puro no es tóxico, pero sí sus compuestos, los cromatos, que se absorben por vía cutánea y vía respiratoria, y producen trastornos digestivos, úlceras e irritaciones de la piel muy dolorosas. La intoxicación por derivados del cromo se considera una enfermedad profesional.

7.4. – VOLFRAMIO Y SUS ALEACIONES:

En 1781, el químico de origen alemán Carl W. Scheele indicó que en un mineral denominado tungstene (piedra pesada, en alemán) existía una sustancia hasta entonces desconocida, a la que se denominó tungsteno.

El metal fue aislado por primera vez en 1783 por los españoles J. José y Fausto Elhuyar a partir de la wolframita. Se le llamó entonces volframio y ambos nombres han persistido hasta la actualidad.

El mineral básico del que se extrae el volframio es precisamente la wolframita, sustancia que además contiene hierro y manganeso y de la, que España es el principal productor europeo.

· Obtención: La metalurgia es relativamente sencilla, pero el elevado punto de fusión del metal dificulta el tratamiento del producto final. Los minerales que contienen volframio se disuelven con carbonato de sodio para obtener una sal soluble que contiene el volframio, Posteriormente, se trata con ácido clorhídrico para ob­tener óxido de volframio, W03, que precipita en el fondo de la vasija. Por último, se reduce el óxido por medio de una corriente de hidrógeno en un horno eléctrico. De este modo se obtiene polvo de volframio, que, después, se recalienta para sintetizarlo, compactarlo, forjarlo y laminarlo.

· Propiedades: El volframio es un metal de color gris acerado, muy duro y pesado y de buena conductividad eléctrica. Por su dureza, resulta difícil de mecanizar. Aunque es muy dúctil, para obtener hilos de este metal se necesita emplear hileras de diamante. Resiste la acción de los ácidos y los álcalis, aunque es atacado por el cloro. Tiene el punto de fusión más alto de todos los metales.

· Aplicaciones: Por su elevada ductilidad puede estirarse en hilos de hasta 0,01 mm. de diámetro, su buena conductividad eléctrica y su elevado punto de fusión, resulta especialmente apropiado para fabricar filamentos de lámparas de incandescencia y para resistencias de hornos eléctricos.

· Aleaciones: Asociado con el carbono, forma carburo de wolframio, de extraordinaria dureza. Esta sustancia se emplea en la fabricación de herramientas de corte y de matrices para trabajos en caliente, con los nombres de widia y estelita respectivamente. Junto al cromo, el níquel y el cobalto, se emplea como aleante para obtener aceros imantados. En materiales aglomerados, se asocia al titanio y al tántalo para fabricar herramientas de corte rápido. Sin embargo, debido a la dureza del material, estas herramientas resultan frágiles y deben emplearse en máquinas con bajas vibraciones.

7.5. – MERCURIO Y SUS ALEACIONES:

Dada su característica de metal líquido a temperatura ambiente, es conocido y utilizado desde tiempo inmemorial. El primero en obtenerlo en estado puro fue Teofrasto de Ereso, en el 320 a. C., los griegos lo denominaron hidro argiros es decir, plata líquida, de donde deriva su nombre latino hidrargirum. Los alquimistas de la Edad Media no lo consideraban un metal sino la esencia de todos los metales.

Su principal mena es el cinabrio, mineral de coloración rojiza característica constituido por sulfuro de mercurio. En el seno de las grandes masas de mineral puede encontrarse a veces mercurio nativo en estado líquido. Los yacimientos más ricos del mundo se encuentran en Almadén (Ciudad Real), aunque el principal país productor de mercurio es Italia.

· Obtención: El tratamiento del mineral para la obtención del mercurio líquido es relativamente sencillo, debido a su bajo punto de ebullición. El cinabrio se somete a un proceso de tostación en presencia de aire. El mercurio se volatiliza y sus vapores son conducidos a dispositivos de condensación herméticamente cerrados donde el mercurio se condensa y se recoge en estado líquido.

· Propiedades: El mercurio es un líquido de color plateado y brillante, de densidad muy elevada, buen conductor de la electricidad y con un elevado coeficiente de dilatación térmica. Es capaz de disolver casi todos los demás metales, excepto el hierro, el níquel, el molibdeno y el tungsteno. Con éstos, no forma disolución, sino amalgamas amasables a temperatura ambiente que endurecen con el tiempo.

· Aplicaciones: Se emplea para fabricar termómetros y barómetros, ya que su dilatación es uniforme a cualquier temperatura. Las amalgamas de mercurio con otros metales se utilizan en odontología como empaste de dientes. Modernamente se emplea en electricidad para fabricar lámparas fluorescentes a base de vapor de mercurio y pilas de botón de elevado rendimiento y tamaño reducido. Como ocurre con el plomo, el mercurio es muy venenoso, ya que el organismo es incapaz de eliminarlo. Por su bajo punto de ebullición, puede producir vapores extraordinariamente peligrosos, pues la principal vía de intoxicación es la respiratoria. La intoxicación por este metal y sus sales se denomina hidrargirismo y se manifiesta con ulceraciones de las encías, ennegrecimiento de los dientes, vómitos, diarreas, temblores, etc.

7.6. – TITANIO Y SUS ALEACIONES:

Fue descubierto en 1791 por el británico William Gregory aunque fue el austríaco Martin Klaproth el que, tres años más tarde, le dio el nombre de titanio (del latín titan que significa ‘hijo de la Tierra’). Se encuentra en casi todas las rocas de origen volcánico que contienen hierro. Su mineral más común es el rutilo que es dióxido de titanio criolizado. También se obtiene de la limenita, un compuesto de titanio y hierro.

· Obtención: El procedimiento más utilizado en la industria consiste en la cloruración o transformación del óxido en tetracloruro de titanio, TiCl, a temperatura elevada. Una vez condensado y purificado, este compuesto es reducido en atmósfera inerte en un reactor y se obtiene la denominada esponja de titanio. Posteriormente, la esponja se funde en un horno eléctrico y se obtienen los lingotes de metal.

· Propiedades: El titanio es un metal de color blanco plateado, brillante, ligero, muy duro y de gran resistencia mecánica. Se oxida parcialmente y es atacado por los ácidos fuertes, pero soporta muy bien la corrosión de los agentes atmosféricos.

· Aplicaciones: Por su densidad relativamente baja y su resistencia mecánica, se utiliza para la construcción del fuselaje de aviones, cohetes y lanzaderas espaciales, ya que sus aleaciones resultan más duras que las del aluminio, a igualdad de peso. Está también presente en las aleaciones de algunos aceros ordinarios y de los inoxidables.

· Aleaciones: Sus aleaciones resultan particularmente duras y resistentes. El carburo de titanio, especialmente refractario, se utiliza en la fabricación de aletas de turbinas, en la industria aerospacial y en herramientas de corte.

Mezclado con carburo de volframio y añadiendo algo de cobalto y níquel, se emplea en la fabricación de hileras de extrusión y muelas de afilado.

Cuadro Resumen

8. – BIBLIOGRAFIA.

· DeGarmo, E.P.- Black, J.T.- Kohser, R.A. Materiales y procesos de fabricación. Editorial Reverté. Barcelona. 1.998.

· Ruiz Prieto, J.M.- Vitores Villena, A. Metales y aleaciones no férricas. Edita Fundación Gómez-Pardo. Madrid, 1.976.