1. INTRODUCCIÓN.
2. CLASIFICACIÓN DE LOS METALES NO FÉRRICOS Y SUS ALEACIONES.
3. OBTENCIÓN Y APLICACIONES DE LOS PRINCIPALES METALES NO FÉRRICOS Y SUS ALEACIONES.
3.1. METALES NO FÉRRICOS PESADOS.
3.1.1. COBRE.
3.1.2. ESTAÑO.
3.1.3. PLOMO.
3.1.4. CINC.
3.1.5. ORO.
3.1.6. NIQUEL
3.1.7. VOLFRAMIO
3.1.8. CROMO
3.2. METALES NO FÉRRICOS LIGEROS.
3.2.1. ALUMINIO.
3.2.2. TITANIO.
3.3. METALES NO FÉRRICOS ULTRALIGEROS.
3.3.1. MAGNESIO.
3.3.2. BERILIO.
4. CONCLUSIÓN.
5.- BIBLIOGRAFÍA.
− “Tecnología de los metales”Ed. Reverté,
− “Tecnología general para ingenieros”Ed. Cosmos,
− “Conocimiento de materiales”. Ed. Donostiarra.
− “Materiales y procesos de fabricación”. Ed. Reverté
1. INTRODUCCIÓN.
En este tema trataremos los metales no férricos, es decir los que no contienen hierro, y sus aleaciones mas usuales. Empezamos por definir la metalurgia como la ciencia que estudia las transformaciones físicas y transformaciones químicas que han de sufrir las menas para extraer de ellas los metales que contienen, así como la preparación de aleaciones, sus tratamientos térmicos y mecánicos, hasta la obtención del producto final.
Un metal no férrico es aquel elemento químico caracterizado por una fuerte conductividad térmica y eléctrica, un brillo especial llamado brillo metálico, una aptitud para la deformación y una marcada tendencia a formar cationes, sin presencia del hierro.
El consumo de productos siderúrgicos del hierro es 20 veces mayor, que el resto de los metales, la cual es debido a una serie de ventajas, como por ejemplo: se pueden obtener piezas por forja, fundición, soldadura, se pueden variar sus propiedades por tratamiento térmico. Aunque también tiene una desventaja muy importante, porque se corroen con facilidad, además no presentan una buena conductividad eléctrica, no tienen buena aptitud para determinadas formas de moldeo y deformación como la inyección y la extrusión.
Por estas razones desde la Edad de Bronce se viene utilizando metales y aleaciones distintos de hierro.
Este tema es importante en el currículo de tecnología puesto que los materiales metálicos se ven en 2 de la ESO y ampliamente en bachillerato.
2. CLASIFICACIÓN DE LOS METALES NO FÉRRICOS Y SUS ALEACIONES.
Los metales no ferrosos se clasifican en 3 grupos, según su densidad:
1. Metales no ferrosos pesados. Aquellos con densidad mayor de 5 g/dm3. Entre ellos el Cobre, estaño, plomo, níquel, cinc, cromo, cobalto y wolframio.
2. Metales no ferrosos ligeros. Con densidad entre 5 y 2 g/dm3. Los más importantes son el aluminio y el titanio.
3. Metales no ferrosos ultraligeros. Densidad inferior a 2 g/dm3. Los más importantes son el magnesio y el berilio.
Generalmente son resistentes a la corrosión y a la oxidación, con otras cualidades entre ellas:
Fácilmente moldeables y mecanizables.
Alta resistencia mecánica.
Algunos tienen mucha conductividad térmica y eléctrica.
Tienen un buen acabado superficial.
Las aleaciones son productos homogéneos de propiedades metálicas, compuestos por el metal base que es aquel que se halla en mayor proporción y los elementos aleantes que son los elementos restantes.
Las aleaciones se obtienen fundiendo juntos el metal base y los elementos aleantes. Una vez que la mezcla es homogénea se deja enfriar para que solidifique y según la naturaleza de los cristales que se formen, las aleaciones pueden ser de 3 tipos:
1.- Solución sólida de sustitución, donde los átomos de los elementos aleantes se sitúan en la red cristalina del metal base. Según la forma en que se dispongan se originan, solución sólida de sustitución o solución sólida intersticial.
2.- Aleaciones eutécticas, en la que los átomos del metal base y de los aleantes son de tamaños muy distintos y no cristalizan en el mismo sistema.
3.- Compuestos intermetálicos, si los átomos de la aleación son químicamente muy distintos.
3. OBTENCIÓN Y APLICACIONES DE LOS PRINCIPALES METALES NO FÉRRICOS Y SUS ALEACIONES.
En este apartado haremos una clasificación entre no férricos pesados, ligeros y ultraligeros.
3.1. METALES NO FÉRRICOS PESADOS.
3.1.1. COBRE.
1. Obtención.
De color pardo rojizo, con alta conductividad térmica y eléctrica. Los minerales más importantes para la obtención del Cu son los sulfurados como la Calcopirita y Calcosina.
Los métodos para obtener el cobre de forma industrial son dos:
Por vía seca. Es el más utilizado y el mineral estará en torno a un 15% de riqueza y
Por vía húmeda, para minerales más pobre y de contenido en metal de un 3%. El procedimiento por vía seca consta de los siguientes 5 pasos:
1. Concentración del mineral (eliminación de la ganga) donde el mineral es triturado, cribado, y después pulverizado en un molino de bolas de acero. Por último se introduce el polvo en un recipiente con agua y se agita para eliminar la ganga.
2. Tostación parcial. El Fe tiene más afinidad por el O que por el Cu. Entonces haciendo una tostación con poco aire se oxida prácticamente sólo el Fe y no el Cu. El producto resultando está constituido por óxidos de hierro, sulfuros de cobre y hierro y algo de óxido de cobre y ganga.
3. Formación de la mata. El producto tostado se introduce en un horno de reverbero a 1100ºC, donde se dan dos capas líquidas inmiscibles, la superior que forma la escoria y la inferior la mata.
4. Oxidación de la mata a cobre bruto o Blister. La mata fundida se vierte en un convertidor y se inyecta una corriente de aire que oxida el azufre y el hierro donde se separan los óxidos volátiles. Cuando se oxida el cobre y se deja solidificar origina el cobre blister que tiene un 93% de cobre puro.
5. Refino del cobre bruto, con objeto de elevar la pureza del Cu hasta un 99,95%, se usan dos métodos, en el horno de reverbero o electrolíticamente.
2. Aplicaciones.
Por su elevada conductividad eléctrica se emplea en la fabricación de conductores eléctricos, bobinas, transformadores.
Por su elevada conductividad térmica se emplea en la fabricación de calderas, alambiques, serpentines, etc.
Por su plasticidad es decir por su maleabilidad y ductilidad, se emplea para la fabricación de objetos de artesanía o decorativos.
Por su resistencia a la corrosión se emplea en la fabricación de cubas o tuberías.
En la mayoría de las aplicaciones, el cobre se encuentra formando aleaciones.
3. Aleaciones.
La mayor parte de la producción del Cu se destina a las aleaciones. La adición de elementos al Cu disminuye su conductividad eléctrica y térmica mejora sus propiedades mecánicas, su facilidad para la conformación y aumenta la resistencia a la corrosión. Las aleaciones más importantes son:
− Bronce, cobre mas estaño, que poseen resistencia a la corrosión, y resultan más duros y fuertes que los metales por separado
− Latón, cobre más cinc, se caracterizan por ser dúctiles y maleables, se oxidan poco, son buenos conductores térmicos y eléctricos, si se pulen adquieren un brillo especial
− Cuproaluminio, cobre más aluminio.
− Alpacas, de cobre, níquel, cinc y estaño.
− Cuproníquel, cobre más níquel.
− Cuproberilio, cobre más berilio.
3.1.2. ESTAÑO.
El estaño (Sn) es un metal de color blanco plateado.
1.Obtención.
El Sn se obtiene a partir de la casiterita, SnO2 por medio de dos procedimientos distintos:
1.- Por reducción de la casiterita, los óxidos se reducen mediante carbón en hornos de reverbero hasta obtener un Sn bruto. Después por procedimientos electrolíticos, se transforma el Sn bruto en Sn puro con 99 % de Sn
2.- Por recuperación electrolítica de la hojalata. La hojalata es acero recubierto con estaño y por su uso en la industria conservera, hay distintos métodos para recuperar el estaño pero uno de ellos consiste en introducir la hojalata en una disolución de NaOH., que disuelve el estaño, dando posteriormente el metal por electrólisis de dicha disolución.
2. Aplicaciones.
En estado puro se usa para recubrir el acero formando hojalata y también para aleaciones
3. Aleaciones.
Donde el Sn tiene grandes aplicaciones es como elemento aleado como:
Bronce, Aleación de Cobre y estaño.
Metal para soldar, Aleación de estaño y Plomo
Metal de imprenta, Estaño, plomo y antimonio.
Aleaciones antifricción, para cojinetes, contienen cobre, antimonio y pequeñas cantidades de Plomo.
También usado en la industria aeroespacial aleado con titanio y en algunos insecticidas.
3.1.3. PLOMO.
Es un metal de color gris azulado, bastante pesado y blando.
1. Obtención.
El plomo se obtiene a partir de la galena, PbS. El mineral se tritura y se separa la ganga por flotación y se somete la galena enriquecida a un proceso de tostación haciendo pasar una corriente de aire, transformándose el sulfuro de plomo PbS en óxido de plomo PbO.
La reducción posterior del PbO da el Pb metálico. El metal fundido y la escoria se separan por las distintas densidades.
2. Aplicaciones.
El Plomo mayoritariamente se emplea en la fabricación de baterías y en el revestimiento de cables eléctricos. También se usa en tuberías sanitarias, tanques pero se está sustituyendo por el PVC, que resulta más barato. También se usa como blindaje protector del organismo ante las radiaciones nucleares y rayos X. Los óxidos de plomo se emplean en pinturas y pigmentos como el minio (Pb3O4). El plomo origina el Saturnismo y se está dejando de usar como pinturas.
3. Aleaciones.
El Pb forma aleaciones con Antimonio encontrando 3 clases:
Entre 1% y 3% de antimonio: mejora las propiedades mecánicas del plomo. Ejemplos el papel de plomo usado para embalajes y para revestimientos de cables subterráneos.
Entre un 6% y un 12% de antimonio se usa para piezas de fundición como las placas de los acumuladores y accesorios de protección contra radiaciones.
Aleación para soldar: compuesto por Plomo y estaño.
3.1.4. CINC.
Es un metal de color blanquiazul, que posee muchas aplicaciones industriales.
1. Obtención.
De color blanquiazul y el mineral más empleado es la blenda (ZnS). La metalurgia del cinc se realiza por dos procedimientos, el de vía seca y el de vía húmeda; ambos métodos se inician con la tostación de la blenda para obtener el óxido de cinc (ZnO) donde se convierte sulfuro de cinc en óxido de cinc en presencia de aire.
a) La Extracción por vía seca, se realiza mediante la reducción del óxido de cinc. Este proceso debe desarrollarse a temperaturas comprendidas entre 1100 y 1400 ºC. Los vapores de cinc formados se condensan y el metal se refina mediante destilación fraccionada.
b) En la extracción por vía húmeda se bate el óxido con una solución de ácido sulfúrico en caliente a 60ºC. El sulfato de cinc obtenido se somete a un proceso electrolítico, depositándose el Zn en el cátodo dando un cinc de alta pureza.
2. Aplicaciones.
La mayoría se utiliza para fabricar chapas para tejados, canalones, cubos y depósitos de agua debido a su resistencia a la corrosión y un 30% como capa protectora o en procesos de galvanizado de hierros y aceros para protegerlos de la corrosión.
El resto de la producción se usa como componente de diversas aleaciones en especial, latón o en la fabricación de pilas secas.
3. Aleaciones.
Las aleaciones más conocidas son:
Calaminas (aluminio + cobre y cinc)
Latón (cinc + Cobre).
Alpacas (Cobre + estaño + cinc + Niquel).
Bronce al cinc (Cobre + estaño + cinc).
Con las aplicaciones de, manivelas, manillas de puertas, etc.
3.1.5. ORO.
1. Obtención.
Se puede obtener en estado nativo puro, en aluviones o en estado combinado, acompañada de otros metales como Cu, Ni, Pb, etc. Una gran parte del oro que se obtiene se hace de la recuperación, como subproducto procedente de la metalurgia del Cu, Zn, Pb en los barros anódicos.
Algunas aplicaciones son:
Para joyería, en estado puro o aleado. La pureza se expresa en quilates.
El oro se ha empleado como reserva y garantía de papel moneda.
Fabricación de monedas conmemorativas, odontología y recubrimientos superficiales.
3.1.6. NIQUEL
Minerales de níquel son las PIRITAS MAGNÉTICAS y la GARNIERITA, que se obtiene el bruto por reducción o por electrólisis níquel metalúrgico.
Es un metal blanco argentino, cristaliza en el sistema cúbico centrado en las caras, es duro y tenaz, maleable y dúctil. Es sumamente resistente contra la corrosión.
Se forja bien en frío y en caliente, puede estirarse y se suelda con soldadura eléctrica y autógena. Se emplea para fabricar utensilios de cocina, instrumental quirúrgico, bujías de motores de explosión, para proteger otros metales y como elemento de aleación como NiCu, muy resistente a la corrosión empleado en la industria química, NiFe tiene buenas propiedades magnéticas por lo que se emplea para reforzar imanes.
3.1.7. VOLFRAMIO
El mineral básico del que se extrae el volframio es la wolframita, sustancia que además contiene hierro y manganeso y de la, que España es el principal productor europeo.
En el proceso de obtención se funden los minerales con carbonato de sodio, para dar una sal soluble que tiene volframio. Se trata con ácido clorhídrico para dar óxido de volframio que precipita, después se reduce el óxido por medio de una corriente de hidrógeno en un horno eléctrico.
Sus características son de color gris acerado, muy duro, pesado y buena conductividad eléctrica. Difícil de mecanizar. Es muy dúctil pero para obtener hilos necesitas hileras de diamante.
Las aplicaciones, se utiliza para fabricar filamentos de lámpara de incandescencia y resistencias de hornos eléctricos por su ductilidad, conductividad eléctrica y elevado punto de fusión.
Su aleación con carbono se llama carburo de volframio y es usado para fabricar herramientas de corte y matrices. Se mezcla con cromo, níquel y cobalto para obtener aceros imantados y se asocia con el titanio y el tántalo para fabricar herramientas de corte rápido.
3.1.8. CROMO
El cromo es un metal de transición duro, frágil, gris acerado y brillante. Es muy resistente frente a la corrosión. Forma parte de los minerales cromita y crocoíta. Su principal uso es en metalurgia para aportar resistencia a la corrosión y un acabado brillante, sus cromatos y óxidos se emplean en colorantes y pinturas y ss común el uso del cromo y de alguno de sus óxidos como catalizadores.
3.2. METALES NO FÉRRICOS LIGEROS.
3.2.1. ALUMINIO.
El mineral del que se obtiene es la bauxita, cuyos componentes principales son la alúmina hidratada y las impurezas. La obtención industrial del aluminio es un proceso bastante complejo que consta de dos fases:
Un Método Bayer, que es la separación de la alúmina a partir de bauxita y una reducción de la alúmina por electrólisis.
Las aplicaciones fundamentales del aluminio son:
Fabricación de papel de aluminio.
Por la facilidad de extrusión se emplea en la fabricación de envases de paredes delgadas.
Por su buena resistencia a la corrosión, se emplea en la fabricación de botes de refresco, útiles de cocina, carpintería metálica, etc
Por su conductividad eléctrica y su ligereza se utiliza casi de manera exclusiva en las líneas de alta tensión.
En cuanto a aleaciones, la adición de elementos de aleación mejora las propiedades mecánicas de resistencia y dureza, disminuyendo a la misma vez la ductilidad, la conductividad eléctrica y la resistencia a la corrosión.
Los metales con los que se alea el aluminio con mayor frecuencia son estos 4:
1. Con Cobre. Con menos del 15% del contenido total, ya que a mayor cantidad se vuelve frágil. Las aleaciones de Al-Cu se usan en estructuras de aviones, llantas de vehículos, etc.
2. Con Cinc. Tiene mayor dureza en frío y disminuye su resistencia a la corrosión.
3. Con Silicio. El Silicio aumenta la dureza y la resistencia a la corrosión del Aluminio. Estas aleaciones son muy dúctiles y resistentes al choque. Se usan en piezas como: cárteres de vehículos, pistones, culatas, llantas de ruedas, etc.
4. Con Manganeso, donde se aumenta la dureza, resistencia mecánica.
3.2.2. TITANIO.
El titanio, es un metal de color blanco plateado, de densidad 4,5 g/cm3. Posee una alta resistencia mecánica y a la corrosión, propiedades estas que justifican la mayor parte de las aplicaciones.
El Ti se obtiene industrialmente de la ilmenita y del rutilo, con el proceso de Kroll, donde la mena se calienta al rojo, añadiendo carbón y cloro, dando tetracloruro de titanio, que una vez purificado se reduce con magnesio.
Sus aplicaciones:
Por resistencia mecánica alta y su baja densidad, a veces sustituye al Aluminio. Aleado con Aluminio y vanadio, se utiliza en piezas de Aviones, cápsulas espaciales, etc
Por su resistencia a la corrosión de agua salada, se usa en plantas potabilizadoras y debido a su resistencia a la corrosión y la compatibilidad con los tejidos humanos, se usa como prótesis óseas, dentales, válvulas de corazón, etc.
Los elementos de aleación aumenta la resistencia del Titanio.
El titanio se alea con gran cantidad de elementos como Aluminio, estaño, carbono, nitrógeno, hierro.
Las aleaciones de titanio-aluminio poseen buena resistencia a la corrosión, poca densidad y alta resistencia a la tracción.
3.3. METALES NO FÉRRICOS ULTRALIGEROS.
3.3.1. MAGNESIO.
El Magnesio es un metal de color blanco plateado y de uso industrial más ligero, aunque su resistencia mecánica es moderada, por su baja densidad poseen una resistencia mecánica específica elevada.
En cuanto a obtención se obtiene de dos minerales y por dos procedimientos:
1.- Por electrólisis a partir de Cl2Mg anhidro fundido.
2.- Y por por reducción térmica a partir de la magnesia
Las aplicaciones como metal puro son limitadas, pudiendo destacar, entre otras, las siguientes:
– Debido a la facilidad con la que arde a la luz blanca intensa que produce, se emplea en iluminación de fotografía y construcción de bombas incendiarias.
– El magnesio puro presenta baja resistencia a la atracción y desgaste. No se emplea como material estructural. Casi la mitad de la producción de magnesio se emplea para formar aleaciones ligeras y ultraligeras destinadas a la fabricación de émbolos, cárteres, hélices, ruedas, etc.
Su elevada tendencia a la corrosión en atmósfera marina es su principal obstáculo para su desarrollo industrial.
En cuanto a aleaciones, existen dos grupos de aleaciones que son:
1.- Aleaciones para moldeo con Aluminio y cinc, ambos elementos endurecen el Magnesio y mejoran su moldeo y resistencia a la corrosión.
2.- Aleaciones para forja que forma aleaciones con el Manganeso, que aumenta la resistencia a la corrosión y mejora la soldabilidad.
3.3.2. BERILIO.
Es un metal frágil de color gris. Su nombre procede de mineral berilo.
En cuanto a obtención, es un metal escaso y se inicia con la trituración del berilo en polvo muy fino que se mezcla con fluosilicato sódico y de potasio.
Sus aplicaciones suele ser aleante de otros metales para dar mayor resistencia a la corrosión, mayor dureza y mejores propiedades aislantes. Su utilización se encuentra muy limitada y por su ligereza y pequeño coeficiente de dilatación, se usa en piezas de aviones.
El Berilio puro se utiliza para la fabricación de tubos de rayos X, como moderador de neutrones en los reactores nucleares, en ordenadores, equipos láseres, etc.
4. CONCLUSIÓN.
El sector de metales no-ferrosos es muy diverso y está creciendo constantemente. Productos cada vez más sofisticados están siendo producidos usando procesos químicos y tratamientos especiales en la fundición, refinamiento y las etapas terminales. El reciclaje, incluyendo la separación de los componentes complejos, está creciendo en importancia, sobre todo por razones económicas, del medio ambiente y de desarrollo sostenible.