METALES NO FERROSOS Transparencias Rev 0

METALES NO FERROSOS

y sus ALEACIONES: Transparencias de clase

Gerardo D. López

Ciencia de los materiales

Ingeniería Industrial

Facultad Regional Santa Fe – Universidad Tecnológica Nacional

Revisión 0 – agosto 2011

Metales no ferrosos / Transparencias de clase – rev. 0 Ciencia de los materiales – Ingeniería Industrial – FRSF / UTN

Gerardo D. López – [email protected]

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Conceptos generales

De todos los metales y aleaciones utilizados para la industria, aproximadamente el 20% corresponde a los no ferrosos. Muy pocos se emplean en estado de metal prácticamente puro. En este sentido se puede mencionar el cobre electrolítico, cuya elevada conductividad lo hace apto para prestaciones exigentes en la conducción de electricidad. También se encuentran en esta categoría algunos metales nobles, como la plata y el oro, empleados en aplicaciones de electrónica y otros como el platino, utilizados en la manufactura de catalizadores para la industria química y petroquímica. Sin embargo, la mayor parte de los usos de metales no ferrosos a escala industrial es bajo la forma de diferentes aleaciones. La variedad de combinaciones que se pueden realizar permiten cubrir las prestaciones mecánicas y físicas y las propiedades químicas necesarias para fabricar una gran variedad artículos útiles para la industria y la sociedad. Algunas de las características distintivas de las aleaciones no ferrosas son la adecuada resistencia a distintos tipos de esfuerzos mecánicos, el buen comportamiento frente a la corrosión, la elevada conductividad eléctrica y maquinabilidad.

La tabla 1 resume algunas propiedades de interés industrial para diferentes metales y aleaciones no ferrosas en comparación con las ferrosas típicas (fundiciones y aceros) para mostrar el amplio rango de variación en la magnitud de las características listadas, lo que permite fundamentar criterios de selección para cada tipo de requerimiento esperado en servicio.

Tabla 1. Propiedades típicas de metales y aleaciones

Metal / aleación Resistencia a la tracción - MPa

Temperatura de fusión - °C

Dureza Brinell

Densidad kg/m3

Aluminio 83-310 660 30-100 2,643 Latón 120-180 870 40-80 8,570

Bronce 130-200 1040 70-130 8,314 Cobre 345-689 1080 50-100 8,906

Plomo 18-23 325 3.2-4.5 11,309 Magnesio 83-345 650 30-60 1,746 Níquel 414-1103 1450 90-250 8,730

Zinc 48-90 785 80-100 7,144 Estaño 19-25 390 5-12 7,208

Titanio 552-1034 1800 158-266 4,517 Fundición gris 110-207 1370 100-150 7,209

Acero 276-2070 1425 110-500 7,769

Metalurgia

Los procesos básicos para la producción de los metales no ferrosos son similares a los descriptos para la metalurgia del hierro, e incluyen:



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1. Extracción 2. Concentración 3. Fusión 4. Afinación 5. Aleación

Cada uno de estos procesos adopta diferentes formas tecnológicas según las características distintivas de cada metal y en algunos casos no se aplica la totalidad de las etapas mencionadas. Por ejemplo, el mercurio no requiere fusión porque ya es líquido a temperatura ambiente y los metales nobles muchas veces se emplean en estado puro, no aleado. A continuación se describen en forma breve los procesos de la metalurgia de los metales no ferrosos.

Extracción. Los metales no ferrosos provienen de minerales que se pueden encontrar en la superficie de la tierra o bien en yacimientos subterráneos. En ambos casos se han desarrollado técnicas de explotación eficientes y rentables.

Concentración. Los metales no ferrosos raramente se encuentran en estado puro y en cantidades comerciales en los minerales de los que se obtienen. Por esta razón, se aplican procedimientos físicos y mecánicos para separar el mineral de interés de la ganga. Entre los procesos de preparación más utilizados se menciona la pulverización o molienda del mineral para luego mezclarlo con agua y un aceite. Esta mezcla o suspensión se somete a algún tipo de agitación enérgica para promover el formado de una espuma en la que los minerales metálicos quedan suspendidos mientras que otros materiales no deseables, como arena, roca, etc., sedimentan.

Fusión. Los hornos utilizados para la fusión de los minerales de metales no ferrosos incluyen un tipo de alto horno de menores dimensiones que los de arrabio y los hornos de reverbero, es decir aquellos en los que se aplica una llama directa sobre la carga. De todas maneras se reitera que no todos los metales no ferrosos necesitan ser fundidos para ser procesados. En los hornos para la producción de metales no ferrosos usualmente existen sistemas para el control de las emisiones de polvo. Esto se debe tanto a una medida de control de la contaminación ambiental como al aprovechamiento de metal adicional que esté contenido en los polvos cuando el mineral se pulverizado a un nivel muy fino.

Afinación. Para lograr las características de calidad y pureza necesarias en los metales no ferrosos se pueden utilizar diferentes procesos. En la manufactura de cobre de alta pureza, por ejemplo, se usan cubas electrolíticas en las cuales el material adquiere niveles de calidad muy altos.

Aleación. Para cumplir adecuadamente con los diferentes requerimientos del servicio, es usual ajustar la composición mediante el mezclado de diferentes metales puros de manera de lograr una solución sólida o aleación con las características buscadas.



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METALES NO FERROSOS Propiedades físicas

Excepto el mercurio (líquido), son sólidos a la temperatura ambiente .

Todos tienen brillo metálico y un color casi siempre blanco grisáceo, salvo en los casos del cobre (rojo) y el

oro (amarillo). Son de densidad muy variable . El sodio y el potasio flotan en el agua mientras que otros poseen

densidades muy elevadas. El magnesio y aluminio son los más ligeros (menos densos) de los metales utilizados en la

industria

Algunos son muy maleables (se pueden cortar en finísimas láminas), como el oro, el estaño y el aluminio. Otros, como

el cobre, son tenaces o resistentes a la rotura por tracción

Tenacidad = capacidad de absorber energía en la zona

plástica

Temperatura de fusión de algunos metales no ferrosos Iridio 2350 ºC Plata 962 ºC Platino 1755 ºC Cinc 419 ºC Hierro 1510 ºC Plomo 327 ºC Cobre 1085 ºC Estaño 232 ºC Oro 1064 ºC Mercurio 39 ºC

Densidad de algunos metales Osmio 22.48 Cobre 8.7 Platino 21.5 Hierro 7.8 Oro 19.4 Estaño 7.3 Mercurio 13.6 Cinc 6.9 Plomo 11.5 Aluminio 2.6 Plata 10.4 Litio 0.53



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Módulo de Tenacidad = trabajo realizado sobre un volumen unidad de un material aumentando gradualmente una fuerza de tracción simple desde cero hasta el valor

que produce la rotura = área total bajo la curva tensión-deformación desde el origen hasta la rotura

Propiedades químicas

Los metales reaccionan con mas o menos facilidad con el medio que les rodea, según sean mas o

menos electropositivos. El aire, el agua y otros elementos químicos reaccionan con ellos formando compuestos no metálicos (corrosión) afectando sus

propiedades física y mecánicas

Estado natural de los metales

La ubicación de los metales en la serie electromotriz o serie galvánica determina el

estado en que se los encuentra en la naturaleza.

Esta ubicación relativa se determina cuantitativamente midiendo el potencial de óxido – reducción de cada metal disuelto en una solución

normalizada de sus iones, respecto de un electrodo de referencia (usualmente el electrodo normal de

hidrógeno).

Si este potencial (EºH) es positivo el metal es catódico frente al hidrógeno y mientras mayor sea

la diferencia de potencial mas “noble” resulta.



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Inversamente si el potencial es negativo son anódicos y mientras mayor sea el valor absoluto de

este potencial negativo menos nobles o más “activos” son.

Serie Galvánica o de Fuerza Electromotriz

METAL EºH (voltios) + nobles

Au + 1.7 ½ O2 + 1.23 Pt + 1.20 Ag + 0.80 Cu + 0.34 H2 0.00 (por definición) Ni - 0.13 Fe - 0.44 Cr - 0.70 Zn - 0.76 Al - 1.66

+ activos

REPRESENTACIÓN GRÁFICA



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Serie galvánica en agua de mar



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En la naturaleza:

Los metales mas nobles o catódicos se encuentran libres (no combinados químicamente con otros

elementos). Ejemplos: los metales preciosos (Ag, Au, Pt, Os,

Ir, Ru, Rh, Pd) y a veces el cobre.

Los metales con potenciales cercanos al EºH (por encima del de hidrógeno o inmediatamente debajo)

-por ejemplo el cobre- forman compuestos diversos (minerales), con predominio de óxidos

(anhidros o hidratados), sulfuros, carbonatos y a veces, cloruros y sulfatos.

Mineral = sustancia natural, de composición

constante representable con una formula química.

Generalmente, además de su nombre científico, recibe nombres vulgares.

Ejemplos: galena= sulfuro de plomo = SPb hematita = óxido férrico= Fe2O3 En una explotación minera: Mena: compuestos de los metales insolubles en la

corteza terrestre Ganga: arena, tierra, barro, etc., que acompaña a

la mena.



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METALURGIA Es la extracción comercial de los metales a partir de sus minerales y su preparación para usos posteriores. Consta de varias etapas:

1. Obtención del mineral por minería (específica para cada tipo de compuesto)

2. Pretratamiento del mineral 3. Reducción del metal al estado libre 4. Refinado o purificación del metal 5. Cuando se requiere, preparación de aleaciones

PRETRATAMIENTO DE LOS MINERALES Concentración del mismo, por eliminación de la ganga, por distintas técnicas: Pulverización adecuada seguida de separación de ciclón Flotación: aplicable a sustancias que no se "mojan" por agua Descarbonatación / deshidratación: convertir carbonatos o hidróxidos a otros compuestos más fácilmente reducibles Tostación: conversión de los sulfuros en óxidos, por calentamiento en aire

REDUCCIÓN A METALES LIBRES Método: depende de la naturaleza del anión unido al metal. Cuanto más fuerte sea el enlace entre el anión y el catión metálico, más energía se requiere y más costoso el proceso. Ejemplos: Mercurio: puede obtenerse directamente en estado libre por tostación de su sulfuro (cinabrio). Metales en forma de óxidos: se reducen al estado libre por combinación con carbono, procurando evitar la formación de carburos estables Metales muy activos (por ejemplo sodio, aluminio): se obtienen por reducción electroquímica de sus sales anhidras en estado fundido



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REFINADO O PURIFICACIÓN DE METALES

Destilación: cuando el metal es más volátil que sus impurezas (Hg, Zn) Electroquímica: aplicada a escala industrial para Cu, Ag, Au, Al

METALURGIA DE ALGUNOS METALES ESPECÍFICOS

ALUMINIO Se obtiene por electrólisis en ausencia de agua mediante el proceso Hall. La bauxita (Al2O3.xH2O) molida con NaOH concentrado se convierte en Na[Al(OH)4] soluble. La acidificación con CO2 (gas) precipita bauxita pura que al deshidratarse forma Al2O3. Seguidamente se agrega un fundente (criolita = Na3[AlF6]) y la electrolisis se lleva a cabo a 1000ºC con electrodos de carbono. Alternativamente y con menor consumo de energía

se hace reaccionar la bauxita con Cl2, obteniendo AlCl3, el cual en estado fundido, se electroliza para

obtener Al y Cl2. COBRE Se utiliza especialmente en aleaciones como bronces (Cu+Sn) y latones (Cu+Zn).

Sus minerales más importantes son la calcopirita [CuFeS2], que es el mas usualmente utilizado, la

azurita [Cu3(CO3)2(OH)2] y la malaquita [Cu2CO3(OH)2]



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El mineral se tuesta para eliminar impurezas volátiles y convertir el sulfuro en óxido y posteriormente se mezcla con arena (SiO2), piedra caliza (CaCO3) y mineral sin tostar, La mezcla se calienta a 1100ºC. Se forma Cu2S, un "vidrio" que disuelve el hierro que estaba presente en el mineral original, y una escorita menos densa que el Cu2S. Posteriormente, por calentamiento en aire, el Cu2S se descompone en Cu metálico, que se purifica por electrolisis, y SO2. MAGNESIO La principal fuente es el agua de mar (0,13% Mg).

Se obtiene por electrólisis de MgCl2 fundido en atmósfera inerte, con cátodo de acero y ánodo de

grafito. ORO Habitualmente se encuentra en estado nativo. Se puede separar de la arena en bandejas en las cuales la arena y la grava (que contiene Au) se agitan en agua, derramándose las partículas menos densas. El material preconcentrado se hace pasar luego por una mesa de agitación ligeramente inclinada, con "barreras" en el fondo, de modo que las partículas de Au quedan retenidas. El Au se combina con Hg formando una amalgama y posteriormente se retira el Hg por destilación.



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También se puede obtener oro a partir de los

barros anódicos provenientes de la purificación electroquímica del Cu.

Otra opción rentable es el procedimiento del cianuro, burbujeando aire a través de una solución

de NaCN que contiene el mineral de Au en suspensión.

ALEACIONES NO-FERROSAS

Se preparan usualmente por fusión conjunta de sus componentes, aunque algunas también se pueden elaborar mediante otros procedimientos Ejemplo: el cobre y el zinc se depositan simultáneamente sobre el cátodo cuando una corriente eléctrica circula a través de una solución con sulfatos cúpricos y de zinc. Muchas aleaciones contienen elementos no metálicos: así como el carbono era el componente esencial en los aceros, el fósforo otorga características especiales a los bronces fosforosos. Las aleaciones son sólidos con aspecto y características metálicas, salvo las amalgamas, en las que interviene el mercurio, que son semisólidas. Se distinguen aleaciones moldeables, que no se deforman suficientemente y aleaciones hechurables, en función de la facilidad de deformación plástica.



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Cobre y sus aleaciones El latón es la aleación más común de cobre. El soluto es el Zn. Hasta 35% Zn la fase estable tiene estructura FCC y es blanda, dúctil y fácil de hechurar en frío. Al aumentar el contenido en Zn se forma una fase BCC más dura y resistente. Se utiliza en bisutería, municiones, radiadores de automóvil, instrumentos musicales y monedas. Los bronces son aleaciones de Cu con Sn, Al, Si y Ni. Son más resistentes que los latones a la corrosión y a la tracción. Los cobres al berilo son de aplicación reciente. Se moldean y hechuran en caliente y en frío y son muy resistentes a la corrosión y al desgaste en presencia de lubricantes. Son caros y se utilizan en cojinetes para turbinas de turborreactores, resortes, instrumentos quirúrgicos y dentales.

Aluminio y sus aleaciones Tienen baja densidad, elevada conductividad eléctrica y térmica, resistencia a la corrosión en algunos medios, incluido el atmosférico. Son muy dúctiles. El Al se suele alear con Cu, Si, Mn, Zn. Las aleaciones con otros metales de baja densidad (Mg, Ti) tienen interés en transporte, debido al ahorro en combustible.



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Magnesio y sus aleaciones Es menos denso (1,7 g/cm3) que el Al por lo que sus aleaciones se utilizan en aeronáutica. El conformado se realiza a 200-350ºC. Químicamente sus aleaciones son muy inestables con alta susceptibilidad a la corrosión. Las aleaciones contienen habitualmente Al, Zn, Mn y algunas tierras raras. Se utilizan para aviones, misiles, maletas y ruedas de automóvil.

Titanio y sus aleaciones Son materiales de ingeniería relativamente nuevos, con elevada resistencia mecánica. Son muy poco susceptibles a la corrosión muy elevada a temperatura ambiente, tanto en ambientes marinos como industriales. Se utilizan en estructuras de aviones, vehículos espaciales, así como para aplicaciones especiales en las industrias químicas y petroquímicas.

Metales refractarios Se caracterizan por su alta dureza y sus puntos de fusión muy elevados, desde el Nb (2468ºC), pasando por el Mo y el Ta, hasta el W (3410ºC).

Superaleaciones Son los materiales más utilizados en componentes de turbinas especiales, expuestas a medios oxidantes, a elevada temperatura durante periodos de tiempo largos, y en reactores nucleares y equipos petroquímicos. Se clasifican de acuerdo con el componente principal, que suele ser Co, Ni, Fe., e incluyen como aleantes metales refractarios, como Nb, Mo, W, Ta, Cr.



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El Zinc Como Metal Protector Dos invenciones ya antiguas, han sido la base de un procedimiento de protección del acero frente a la corrosión de notable eficacia, cuya utilización y tecnología no ha dejado de desarrollarse en el transcurso de los años. Fue en 1742 cuando el químico francés Malouin demostró que la inmersión del acero en zinc fundido proporcionaba un recubrimiento protector de la corrosión de gran eficacia. Los posteriores desarrollos Stanislaus Sorel y la puesta a punto en 1836 de un procedimiento económico para decapar el acero, abrieron la puerta la utilización industrial de este nuevo procedimiento de protección del acero: La galvanización en caliente. Fue el propio Sorel quien puso de manifiesto el efecto de protección galvánica, que proporcionan estos recubrimientos de zinc. Había descubierto la protección catódica o de sacrificio. Por este motivo empleó el término galvanisation en su patente francesa presentada en Julio de 1837. Hoy día sabemos que la corrosión de la mayoría de los metales en el medio ambiente es un fenómeno de naturaleza electroquímica, que necesita de humedad y oxígeno para que pueda desarrollarse. Los metales situados por encima del hierro en la tabla de potenciales galvánicos, como es el caso del zinc, se denominan anódicos con respecto al hierro. Ésto significa que puestos en contacto con el hierro, constiuirán el ánodo de la pila de corrosión que puede formarse en presencia de humedad y oxígeno y será en este anodo en donde se experimente la oxidación, mientras que el hierro, que constituirá la parte catódica de dicha pila, permanecerá inalterado. Este es el fundamento de la Protección Catódica o de Sacrificio. Los recubrimientos de zinc ejercen una activa protección catódica sobre las piezas y elementos de hierro y acero sobre los que se aplican, pudiéndose asegurar que mientras exista zinc remanente sobre la superficie de dichas piezas el acero base de las mismas permanecerá inalterado. Por otra parte, los recubrimientos de zinc proporcionan al acero una protección de tipo barrera muy eficaz, debido a que con la humedad y el anhídrido carbónico del aire el zinc forma sobre su superficie una capa de pasivación autoprotectora de carbonatos básicos de zinc muy insoluble, compacta y adherente y que es la causa de que la velocidad de corrosión del zinc sea de 10 a 30 veces inferior a la del acero. Debido al efecto de protección catódica, en las piezas de acero protegidas con recubrimientos de zinc, no se oxidan las pequeñas zonas desnudas del recubrimiento que puedan producirse como consecuencia de golpes o rozaduras durante el transporte o montaje de las piezas (ver el gráfico sobre estas líneas). Estas zonas desnudas sí son motivo de preocupación y deben restaurarse en el caso de los recubrimientos que protegen únicamente por efecto barrera, como es el caso de la mayoría de las pinturas. Mayor atención debe prestarse todavía a los defectos que se produzcan en los recubrimientos de metales más nobles que el acero (situados por debajo del hierro en la serie galvánica de los metales), puesto que en las zonas desnudas de estos recubrimientos se focalizará la corrosión del acero con una intensidad mucho mayor que si éste estuviera sin proteger, tomando frecuentemente en este caso forma de corrosión por picaduras que pueden afectar a la integridad estructural del material. Ver gráficos siguientes:



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Los metales como el zinc se denominan anódicos con respecto al hierro. Ésto significa que puestos en contacto con el hierro, construirán el ánodo de la pila de corrosión que puede formarse en presencia de humedad y oxígeno y será en este ánodo el que sea sujeto de oxidación, mientras que el hierro, que constituirá la parte catódica de dicha pila, permanecerá inalterado. Este es el fundamento de la Protección Catódica o de Sacrificio y actúa mientras exista zinc remanente sobre la superficie.

Los recubrimientos de zinc proporcionan al acero una protección de tipo barrera muy eficaz, debido a que con la humedad y el anhídrido carbónico del aire el zinc forma sobre su superficie una capa de pasivación autoprotectora de carbonatos básicos de zinc muy insoluble, compacta y adherente y que es la causa de que la velocidad de corrosión del zinc sea de 10 a 30 veces inferior a la del acero.

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