Aleación

Una aleación es una mezcla de elementos químicos de los cuales al menos uno es un metal. A diferencia de los compuestos químicos con bases metálicas, una aleación retendrá todas las propiedades de un metal en el material resultante, como conductividad eléctrica, ductilidad, opacidad y brillo, pero puede tener propiedades diferentes a las de los metales puros, como mayor fuerza o dureza. En algunos casos, una aleación puede reducir el costo total del material mientras conserva propiedades importantes. En otros casos, la mezcla imparte propiedades sinérgicas a los elementos metálicos constituyentes, como la resistencia a la corrosión o la resistencia mecánica.

Las aleaciones se definen por un carácter de enlace metálico. Los componentes de la aleación generalmente se miden por porcentaje de masa para aplicaciones prácticas y en fracción atómica para estudios de ciencias básicas. Las aleaciones generalmente se clasifican como aleaciones de sustitución o intersticiales, según la disposición atómica que forma la aleación. Se pueden clasificar además como homogéneos (que consisten en una sola fase), o heterogéneos (que consisten en dos o más fases) o intermetálicos. Una aleación puede ser una solución sólida de elementos metálicos (una sola fase, donde todos los granos metálicos (cristales) tienen la misma composición) o una mezcla de fases metálicas (dos o más soluciones, formando una microestructura de diferentes cristales dentro del metal).

Los ejemplos de aleaciones incluyen oro rojo (oro y cobre), oro blanco (oro y plata), plata esterlina (plata y cobre), acero o acero al silicio (hierro con carbono no metálico o silicio, respectivamente), soldadura, latón, peltre, duraluminio., bronce y amalgamas.

Las aleaciones se utilizan en una amplia variedad de aplicaciones, desde las aleaciones de acero, utilizadas en todo, desde edificios hasta automóviles y herramientas quirúrgicas, pasando por aleaciones exóticas de titanio utilizadas en la industria aeroespacial, hasta aleaciones de cobre y berilio para herramientas que no producen chispas.

Características

Una aleación es una mezcla de elementos químicos, que forma una sustancia impura (mezcla) que conserva las características de un metal. Una aleación se diferencia de un metal impuro en que, con una aleación, los elementos agregados están bien controlados para producir propiedades deseables, mientras que los metales impuros como el hierro forjado están menos controlados, pero a menudo se consideran útiles. Las aleaciones se fabrican mezclando dos o más elementos, al menos uno de los cuales es un metal. Esto generalmente se denomina metal primario o metal base, y el nombre de este metal también puede ser el nombre de la aleación. Los otros constituyentes pueden o no ser metales pero, cuando se mezclan con la base fundida, serán solubles y se disolverán en la mezcla. Las propiedades mecánicas de las aleaciones a menudo serán bastante diferentes de las de sus constituyentes individuales. Un metal que normalmente es muy blando (maleable), como el aluminio, puede alterarse aleándolo con otro metal blando, como el cobre. Aunque ambos metales son muy blandos y dúctiles, la aleación de aluminio resultante tendrá una resistencia mucho mayor. Agregar una pequeña cantidad de carbono no metálico al hierro cambia su gran ductilidad por la mayor resistencia de una aleación llamada acero. Debido a su muy alta resistencia, pero aún a su considerable tenacidad, y a su capacidad de ser alterado en gran medida por el tratamiento térmico, el acero es una de las aleaciones más útiles y comunes en el uso moderno. Al agregar cromo al acero, se puede mejorar su resistencia a la corrosión, creando acero inoxidable, mientras que agregar silicio alterará sus características eléctricas, produciendo acero al silicio. Aunque ambos metales son muy blandos y dúctiles, la aleación de aluminio resultante tendrá una resistencia mucho mayor. Agregar una pequeña cantidad de carbono no metálico al hierro cambia su gran ductilidad por la mayor resistencia de una aleación llamada acero. Debido a su muy alta resistencia, pero aún a su considerable tenacidad, y a su capacidad de ser alterado en gran medida por el tratamiento térmico, el acero es una de las aleaciones más útiles y comunes en el uso moderno. Al agregar cromo al acero, se puede mejorar su resistencia a la corrosión, creando acero inoxidable, mientras que agregar silicio alterará sus características eléctricas, produciendo acero al silicio. Aunque ambos metales son muy blandos y dúctiles, la aleación de aluminio resultante tendrá una resistencia mucho mayor. Agregar una pequeña cantidad de carbono no metálico al hierro cambia su gran ductilidad por la mayor resistencia de una aleación llamada acero. Debido a su muy alta resistencia, pero aún a su considerable tenacidad, y a su capacidad de ser alterado en gran medida por el tratamiento térmico, el acero es una de las aleaciones más útiles y comunes en el uso moderno. Al agregar cromo al acero, se puede mejorar su resistencia a la corrosión, creando acero inoxidable, mientras que agregar silicio alterará sus características eléctricas, produciendo acero al silicio. Debido a su muy alta resistencia, pero aún a su considerable tenacidad, y a su capacidad de ser alterado en gran medida por el tratamiento térmico, el acero es una de las aleaciones más útiles y comunes en el uso moderno. Al agregar cromo al acero, se puede mejorar su resistencia a la corrosión, creando acero inoxidable, mientras que agregar silicio alterará sus características eléctricas, produciendo acero al silicio. Debido a su muy alta resistencia, pero aún a su considerable tenacidad, y a su capacidad de ser alterado en gran medida por el tratamiento térmico, el acero es una de las aleaciones más útiles y comunes en el uso moderno. Al agregar cromo al acero, se puede mejorar su resistencia a la corrosión, creando acero inoxidable, mientras que agregar silicio alterará sus características eléctricas, produciendo acero al silicio.

Al igual que el aceite y el agua, es posible que un metal fundido no siempre se mezcle con otro elemento. Por ejemplo, el hierro puro es casi completamente insoluble con el cobre. Incluso cuando los constituyentes son solubles, cada uno tendrá normalmente un punto de saturación, más allá del cual no se puede agregar más constituyente. El hierro, por ejemplo, puede contener un máximo de 6,67% de carbono. Aunque los elementos de una aleación por lo general deben ser solubles en estado líquido, es posible que no siempre lo sean en estado sólido. Si los metales permanecen solubles cuando están sólidos, la aleación forma una solución sólida, convirtiéndose en una estructura homogénea que consta de cristales idénticos, llamada fase. Si a medida que la mezcla se enfría, los constituyentes se vuelven insolubles, pueden separarse para formar dos o más tipos diferentes de cristales, creando una microestructura heterogénea de diferentes fases, algunas con más de un constituyente que del otro. Sin embargo, en otras aleaciones, los elementos insolubles pueden no separarse hasta que ocurre la cristalización. Si se enfrían muy rápidamente, primero cristalizan como una fase homogénea, pero están sobresaturados con los constituyentes secundarios. A medida que pasa el tiempo, los átomos de estas aleaciones sobresaturadas pueden separarse de la red cristalina, volviéndose más estables y formando una segunda fase que sirve para reforzar los cristales internamente.

Algunas aleaciones, como el electrum, una aleación de plata y oro, se producen de forma natural. Los meteoritos a veces están hechos de aleaciones naturales de hierro y níquel, pero no son nativos de la Tierra. Una de las primeras aleaciones hechas por los humanos fue el bronce, que es una mezcla de los metales estaño y cobre. El bronce era una aleación extremadamente útil para los antiguos, porque es mucho más resistente y duro que cualquiera de sus componentes. El acero era otra aleación común. Sin embargo, en la antigüedad, solo podía crearse como un subproducto accidental del calentamiento del mineral de hierro en incendios (fundición) durante la fabricación del hierro. Otras aleaciones antiguas incluyen peltre, latón y arrabio. En la era moderna, el acero se puede crear de muchas formas. El acero al carbono se puede fabricar variando solo el contenido de carbono, produciendo aleaciones blandas como el acero dulce o aleaciones duras como el acero para muelles. Los aceros aleados se pueden fabricar agregando otros elementos, como cromo, molibdeno, vanadio o níquel, lo que da como resultado aleaciones como el acero de alta velocidad o el acero para herramientas. Pequeñas cantidades de manganeso generalmente se alean con la mayoría de los aceros modernos debido a su capacidad para eliminar impurezas no deseadas, como fósforo, azufre y oxígeno, que pueden tener efectos perjudiciales en la aleación. Sin embargo, la mayoría de las aleaciones no se crearon hasta la década de 1900, como varias aleaciones de aluminio, titanio, níquel y magnesio. Algunas superaleaciones modernas, como incoloy, inconel y hastelloy, pueden constar de una multitud de elementos diferentes. Pequeñas cantidades de manganeso generalmente se alean con la mayoría de los aceros modernos debido a su capacidad para eliminar impurezas no deseadas, como fósforo, azufre y oxígeno, que pueden tener efectos perjudiciales en la aleación. Sin embargo, la mayoría de las aleaciones no se crearon hasta la década de 1900, como varias aleaciones de aluminio, titanio, níquel y magnesio. Algunas superaleaciones modernas, como incoloy, inconel y hastelloy, pueden constar de una multitud de elementos diferentes. Pequeñas cantidades de manganeso generalmente se alean con la mayoría de los aceros modernos debido a su capacidad para eliminar impurezas no deseadas, como fósforo, azufre y oxígeno, que pueden tener efectos perjudiciales en la aleación. Sin embargo, la mayoría de las aleaciones no se crearon hasta la década de 1900, como varias aleaciones de aluminio, titanio, níquel y magnesio. Algunas superaleaciones modernas, como incoloy, inconel y hastelloy, pueden constar de una multitud de elementos diferentes.

Una aleación es técnicamente un metal impuro, pero cuando se hace referencia a aleaciones, el término impurezas generalmente denota elementos indeseables. Tales impurezas se introducen desde los metales base y los elementos de aleación, pero se eliminan durante el procesamiento. Por ejemplo, el azufre es una impureza común en el acero. El azufre se combina fácilmente con el hierro para formar sulfuro de hierro, que es muy frágil y crea puntos débiles en el acero.El litio, el sodio y el calcio son impurezas comunes en las aleaciones de aluminio, que pueden tener efectos adversos en la integridad estructural de las piezas fundidas. Por el contrario, los metales puros que simplemente contienen impurezas no deseadas a menudo se denominan "metales impuros" y generalmente no se denominan aleaciones. El oxígeno, presente en el aire, se combina fácilmente con la mayoría de los metales para formar óxidos metálicos; especialmente a temperaturas más altas encontradas durante la aleación. A menudo se tiene mucho cuidado durante el proceso de aleación para eliminar el exceso de impurezas, utilizando fundentes, aditivos químicos u otros métodos de metalurgia extractiva.

Teoría

La aleación de un metal se realiza combinándolo con uno o más elementos. El proceso de aleación más común y antiguo se realiza calentando el metal base más allá de su punto de fusión y luego disolviendo los solutos en el líquido fundido, lo que puede ser posible incluso si el punto de fusión del soluto es mucho mayor que el de la base. Por ejemplo, en estado líquido, el titanio es un solvente muy fuerte capaz de disolver la mayoría de los metales y elementos. Además, absorbe fácilmente gases como el oxígeno y se quema en presencia de nitrógeno. Esto aumenta la posibilidad de contaminación de cualquier superficie de contacto y, por lo tanto, debe fundirse en crisoles de cobre de calentamiento por inducción al vacío y especiales, enfriados por agua.Sin embargo, algunos metales y solutos, como el hierro y el carbono, tienen puntos de fusión muy altos y era imposible que los pueblos antiguos los derritieran. Por lo tanto, la aleación (en particular, la aleación intersticial) también se puede realizar con uno o más componentes en estado gaseoso, como los que se encuentran en un alto horno para hacer arrabio (líquido-gas), nitruración, carbonitruración u otras formas de cementación. (sólido-gas), o el proceso de cementación utilizado para fabricar acero blíster (sólido-gas). También se puede hacer con uno, más o todos los constituyentes en estado sólido, como los que se encuentran en los métodos antiguos de soldadura patrón (sólido-sólido), acero al corte (sólido-sólido) o producción de acero al crisol (sólido-sólido). líquido), mezclando los elementos mediante difusión en estado sólido.

Al agregar otro elemento a un metal, las diferencias en el tamaño de los átomos crean tensiones internas en la red de los cristales metálicos; tensiones que a menudo mejoran sus propiedades. Por ejemplo, la combinación de carbono con hierro produce acero, que es más fuerte que el hierro, su elemento principal. La conductividad eléctrica y térmica de las aleaciones suele ser inferior a la de los metales puros. Las propiedades físicas, como la densidad, la reactividad, el módulo de Young de una aleación pueden no diferir mucho de las de su elemento base, pero las propiedades de ingeniería, como la resistencia a la tracción,la ductilidad y la resistencia al corte pueden ser sustancialmente diferentes de las de los materiales constituyentes. Esto a veces es el resultado del tamaño de los átomos en la aleación, porque los átomos más grandes ejercen una fuerza de compresión sobre los átomos vecinos, y los átomos más pequeños ejercen una fuerza de tracción sobre sus vecinos, lo que ayuda a que la aleación resista la deformación. A veces, las aleaciones pueden exhibir marcadas diferencias en el comportamiento incluso cuando están presentes pequeñas cantidades de un elemento. Por ejemplo, las impurezas en las aleaciones ferromagnéticas semiconductoras dan lugar a diferentes propiedades, como predijeron por primera vez White, Hogan, Suhl, Tian Abrie y Nakamura.

A diferencia de los metales puros, la mayoría de las aleaciones no tienen un solo punto de fusión, sino un rango de fusión durante el cual el material es una mezcla de fases sólida y líquida (un aguanieve). La temperatura a la que comienza el derretimiento se llama solidus, y la temperatura cuando el derretimiento acaba de completarse se llama liquidus. Para muchas aleaciones hay una proporción de aleación particular (en algunos casos más de una), llamada mezcla eutéctica o composición peritéctica, que le da a la aleación un punto de fusión único y bajo, y sin transición líquido/sólido.

Tratamiento térmico

Los elementos de aleación se agregan a un metal base para inducir dureza, tenacidad, ductilidad u otras propiedades deseadas. La mayoría de los metales y aleaciones se pueden endurecer creando defectos en su estructura cristalina. Estos defectos se crean durante la deformación plástica al martillar, doblar, extruir, etcétera, y son permanentes a menos que el metal se recristalice. De lo contrario, algunas aleaciones también pueden ver alteradas sus propiedades por tratamiento térmico. Casi todos los metales se pueden ablandar mediante recocido, que recristaliza la aleación y repara los defectos, pero no tantos se pueden endurecer mediante calentamiento y enfriamiento controlados. Muchas aleaciones de aluminio, cobre, magnesio, titanio y níquel pueden fortalecerse hasta cierto punto mediante algún método de tratamiento térmico, pero pocas responden a esto en la misma medida que el acero.

El metal base de hierro de la aleación de hierro y carbono conocida como acero, sufre un cambio en la disposición (alotropía) de los átomos de su matriz cristalina a cierta temperatura (generalmente entre 1500 °F (820 °C) y 1600 °F (870 °C), dependiendo del contenido de carbono). Esto permite que los átomos de carbono más pequeños entren en los intersticios del cristal de hierro. Cuando ocurre esta difusión, se dice que los átomos de carbono están en solución.en el hierro, formando una fase cristalina única, homogénea y particular llamada austenita. Si el acero se enfría lentamente, el carbono puede difundirse fuera del hierro y gradualmente volverá a su alótropo de baja temperatura. Durante el enfriamiento lento, los átomos de carbono ya no serán tan solubles con el hierro y se verán obligados a precipitar fuera de la solución, nucleando en una forma más concentrada de carburo de hierro (Fe ₃C) en los espacios entre los cristales de hierro puro. El acero se vuelve entonces heterogéneo, ya que está formado por dos fases, la fase de hierro-carbono llamada cementita (o carburo) y la ferrita de hierro puro. Este tratamiento térmico produce un acero bastante blando. Sin embargo, si el acero se enfría rápidamente, los átomos de carbono no tendrán tiempo de difundirse y precipitarse como carburo, sino que quedarán atrapados dentro de los cristales de hierro. Cuando se enfría rápidamente, se produce una transformación sin difusión (martensita), en la que los átomos de carbono quedan atrapados en la solución. Esto hace que los cristales de hierro se deformen a medida que la estructura cristalina trata de cambiar a su estado de baja temperatura, dejando esos cristales muy duros pero mucho menos dúctiles (más frágiles).

Si bien la alta resistencia del acero se obtiene cuando se evita la difusión y la precipitación (formando martensita), la mayoría de las aleaciones tratables térmicamente son aleaciones de endurecimiento por precipitación, que dependen de la difusión de los elementos de aleación para lograr su resistencia. Cuando se calientan para formar una solución y luego se enfrían rápidamente, estas aleaciones se vuelven mucho más blandas de lo normal durante la transformación sin difusión, pero luego se endurecen a medida que envejecen. Los solutos en estas aleaciones se precipitarán con el tiempo, formando fases intermetálicas, que son difíciles de distinguir del metal base. A diferencia del acero, en el que la solución sólida se separa en diferentes fases cristalinas (carburo y ferrita), las aleaciones de endurecimiento por precipitación forman diferentes fases dentro del mismo cristal. Estas aleaciones intermetálicas parecen homogéneas en estructura cristalina, pero tienden a comportarse de manera heterogénea.

En 1906, Alfred Wilm descubrió las aleaciones de endurecimiento por precipitación. Las aleaciones de endurecimiento por precipitación, como ciertas aleaciones de aluminio, titanio y cobre, son aleaciones tratables térmicamente que se ablandan cuando se templan (enfrían rápidamente) y luego se endurecen con el tiempo. Wilm había estado buscando una manera de endurecer las aleaciones de aluminio para su uso en casquillos de cartuchos de ametralladoras. Sabiendo que las aleaciones de aluminio y cobre eran tratables térmicamente hasta cierto punto, Wilm intentó templar una aleación ternaria de aluminio, cobre y la adición de magnesio, pero al principio quedó decepcionado con los resultados. Sin embargo, cuando Wilm volvió a probarlo al día siguiente, descubrió que la aleación aumentaba en dureza cuando se dejaba envejecer a temperatura ambiente y superaba con creces sus expectativas. Aunque no se proporcionó una explicación del fenómeno hasta 1919, el duraluminio fue uno de los primeros”Debido a que a menudo exhiben una combinación de alta resistencia y bajo peso, estas aleaciones se utilizaron ampliamente en muchas formas de industria, incluida la construcción de aviones modernos.

Mecanismos

Cuando un metal fundido se mezcla con otra sustancia, existen dos mecanismos que pueden hacer que se forme una aleación, llamados intercambio de átomos y mecanismo intersticial. El tamaño relativo de cada elemento en la mezcla juega un papel principal en la determinación de qué mecanismo ocurrirá. Cuando los átomos son relativamente similares en tamaño, generalmente ocurre el método de intercambio de átomos, donde algunos de los átomos que componen los cristales metálicos se sustituyen por átomos del otro constituyente. Esto se llama una aleación de sustitución. Los ejemplos de aleaciones de sustitución incluyen bronce y latón, en los que algunos de los átomos de cobre están sustituidos con átomos de estaño o zinc, respectivamente.

En el caso del mecanismo intersticial, un átomo suele ser mucho más pequeño que el otro y no puede sustituir con éxito al otro tipo de átomo en los cristales del metal base. En cambio, los átomos más pequeños quedan atrapados en los espacios entre los átomos de la matriz cristalina, llamados intersticios. Esto se conoce como una aleación intersticial. El acero es un ejemplo de aleación intersticial, porque los átomos de carbono muy pequeños encajan en los intersticios de la matriz de hierro.

El acero inoxidable es un ejemplo de una combinación de aleaciones intersticiales y de sustitución, porque los átomos de carbono encajan en los intersticios, pero algunos de los átomos de hierro se sustituyen por átomos de níquel y cromo.

Historia y ejemplos

Hierro meteórico

El uso de aleaciones por parte de los humanos comenzó con el uso de hierro meteórico, una aleación natural de níquel y hierro. Es el componente principal de los meteoritos de hierro. Como no se utilizaron procesos metalúrgicos para separar el hierro del níquel, la aleación se utilizó tal cual. El hierro meteórico podría forjarse a partir de un calor rojo para fabricar objetos como herramientas, armas y clavos. En muchas culturas, se le dio forma martillando en frío en cuchillos y puntas de flecha. A menudo se usaban como yunques. El hierro meteórico era muy raro y valioso, y difícil de trabajar para la gente antigua.

Bronce y latón

El hierro generalmente se encuentra como mineral de hierro en la Tierra, a excepción de un depósito de hierro nativo en Groenlandia, que fue utilizado por los inuit. Sin embargo, el cobre nativo se encontró en todo el mundo, junto con la plata, el oro y el platino, que también se utilizaron para fabricar herramientas, joyas y otros objetos desde el Neolítico. El cobre era el más duro de estos metales y el más ampliamente distribuido. Se convirtió en uno de los metales más importantes para los antiguos. Hace unos 10.000 años, en las tierras altas de Anatolia (Turquía), los humanos aprendieron a fundir metales como el cobre y el estaño a partir de minerales. Alrededor del 2500 a. C., la gente comenzó a alear los dos metales para formar bronce, que era mucho más duro que sus ingredientes. Sin embargo, el estaño era raro y se encontraba principalmente en Gran Bretaña. En el Medio Oriente, la gente comenzó a alear cobre con zinc para formar latón.Las civilizaciones antiguas tomaron en cuenta la mezcla y las diversas propiedades que producía, como la dureza, la tenacidad y el punto de fusión, en diversas condiciones de temperatura y endurecimiento por trabajo, desarrollando gran parte de la información contenida en los diagramas de fase de las aleaciones modernas. Por ejemplo, las puntas de flecha de la dinastía china Qin (alrededor del 200 a. C.) a menudo se construían con una cabeza de bronce duro, pero con una espiga de bronce más suave, combinando las aleaciones para evitar que se desafilaran y se rompieran durante el uso.

Amalgamas

El mercurio se ha fundido a partir de cinabrio durante miles de años. El mercurio disuelve muchos metales, como el oro, la plata y el estaño, para formar amalgamas (una aleación en forma de pasta blanda o líquida a temperatura ambiente). Las amalgamas se han utilizado desde el año 200 aC en China para dorar objetos como armaduras y espejos con metales preciosos. Los antiguos romanos solían utilizar amalgamas de mercurio y estaño para dorar sus armaduras. La amalgama se aplicaba como una pasta y luego se calentaba hasta que el mercurio se vaporizaba, dejando atrás el oro, la plata o el estaño. El mercurio se usaba a menudo en la minería, para extraer metales preciosos como el oro y la plata de sus minerales.

Metales preciosos

Muchas civilizaciones antiguas alearon metales con fines puramente estéticos. En el antiguo Egipto y Micenas, el oro se aleaba a menudo con cobre para producir oro rojo, o con hierro para producir un oro burdeos brillante. El oro se encontraba a menudo aleado con plata u otros metales para producir varios tipos de oro coloreado. Estos metales también se usaron para fortalecerse entre sí, para fines más prácticos. A menudo se añadía cobre a la plata para hacer plata de ley, lo que aumentaba su resistencia para su uso en platos, cubiertos y otros artículos prácticos. Muy a menudo, los metales preciosos se aleaban con sustancias menos valiosas como medio para engañar a los compradores.Alrededor del 250 a. C., el rey de Siracusa le encargó a Arquímedes que encontrara una manera de verificar la pureza del oro en una corona, lo que llevó al famoso grito de "¡Eureka!" tras el descubrimiento del principio de Arquímedes.

Estaño

El término peltre cubre una variedad de aleaciones que consisten principalmente en estaño. Como metal puro, el estaño es demasiado blando para usarlo en la mayoría de los propósitos prácticos. Sin embargo, durante la Edad del Bronce, el estaño era un metal escaso en muchas partes de Europa y el Mediterráneo, por lo que a menudo se valoraba más que el oro. Para hacer joyería, cubertería u otros objetos con estaño, los trabajadores solían alearlo con otros metales para aumentar su resistencia y dureza. Estos metales eran típicamente plomo, antimonio, bismuto o cobre. Estos solutos a veces se añadían individualmente en cantidades variables, o se sumaban, formando una amplia variedad de objetos, que iban desde elementos prácticos como platos, instrumentos quirúrgicos, candelabros o embudos, hasta elementos decorativos como aretes y pinzas para el cabello.

Los primeros ejemplos de peltre provienen del antiguo Egipto, alrededor del 1450 a. El uso del peltre estaba muy extendido en toda Europa, desde Francia hasta Noruega y Gran Bretaña (donde se extraía la mayor parte del estaño antiguo) hasta el Cercano Oriente. La aleación también se usó en China y el Lejano Oriente, y llegó a Japón alrededor del año 800 d. C., donde se usó para fabricar objetos como vasijas ceremoniales, botes de té o cálices utilizados en los santuarios sintoístas.

Hierro

La primera fundición conocida de hierro comenzó en Anatolia, alrededor de 1800 a. Llamado proceso de floración, produjo hierro forjado muy suave pero dúctil. Para el 800 a. C., la tecnología de fabricación de hierro se había extendido a Europa y llegó a Japón alrededor del 700 d. C. El arrabio, una aleación de hierro y carbono muy dura pero quebradiza, se producía en China desde el año 1200 a. C., pero no llegó a Europa hasta la Edad Media. El arrabio tiene un punto de fusión más bajo que el hierro y se utilizó para fabricar hierro fundido. Sin embargo, estos metales encontraron poco uso práctico hasta la introducción del acero al crisol alrededor del año 300 a. Estos aceros eran de mala calidad y la introducción de la soldadura por patrones, alrededor del siglo I d. C., buscó equilibrar las propiedades extremas de las aleaciones laminándolas para crear un metal más resistente. Alrededor del año 700 d.C., los japoneses comenzaron a doblar acero y hierro fundido en capas alternas para aumentar la fuerza de sus espadas, utilizando fundentes de arcilla para eliminar la escoria y las impurezas. Este método japonés de forja de espadas produjo una de las aleaciones de acero más puras del mundo antiguo.

Si bien el uso del hierro comenzó a generalizarse alrededor del año 1200 a. C., principalmente debido a las interrupciones en las rutas comerciales del estaño, el metal era mucho más blando que el bronce. Sin embargo, cantidades muy pequeñas de acero (una aleación de hierro y alrededor del 1% de carbono) siempre fueron un subproducto del proceso de floración. La capacidad de modificar la dureza del acero mediante tratamiento térmico se conocía desde el año 1100 a. C., y el material raro se valoraba para la fabricación de herramientas y armas. Debido a que los antiguos no podían producir temperaturas lo suficientemente altas como para fundir completamente el hierro, la producción de acero en cantidades decentes no ocurrió hasta la introducción del acero blister durante la Edad Media. Este método introdujo carbono al calentar hierro forjado en carbón durante largos períodos de tiempo, pero la absorción de carbono de esta manera es extremadamente lenta, por lo que la penetración no fue muy profunda, por lo que la aleación no fue homogénea. En 1740, Benjamin Huntsman comenzó a fundir acero alveolar en un crisol para igualar el contenido de carbono, creando el primer proceso para la producción en masa de acero para herramientas. El proceso de Huntsman se usó para fabricar acero para herramientas hasta principios del siglo XX.

La introducción del alto horno en Europa en la Edad Media significó que la gente podía producir arrabio en volúmenes mucho mayores que el hierro forjado. Debido a que el arrabio se podía derretir, la gente comenzó a desarrollar procesos para reducir el carbono en el arrabio líquido para crear acero. El encharcamiento se había utilizado en China desde el primer siglo y se introdujo en Europa durante la década de 1700, donde el arrabio fundido se agitaba mientras se exponía al aire para eliminar el carbono por oxidación. En 1858, Henry Bessemer desarrolló un proceso de fabricación de acero soplando aire caliente a través de arrabio líquido para reducir el contenido de carbono. El proceso Bessemer condujo a la primera fabricación de acero a gran escala.

El acero es una aleación de hierro y carbono, pero el término acero aleadopor lo general, solo se refiere a aceros que contienen otros elementos, como vanadio, molibdeno o cobalto, en cantidades suficientes para alterar las propiedades del acero base. Desde la antigüedad, cuando el acero se usaba principalmente para herramientas y armas, los métodos para producir y trabajar el metal a menudo eran secretos muy bien guardados. Incluso mucho después de la Era de la razón, la industria del acero era muy competitiva y los fabricantes hicieron todo lo posible para mantener la confidencialidad de sus procesos, resistiendo cualquier intento de analizar científicamente el material por temor a que revelara sus métodos. Por ejemplo, se sabía que la gente de Sheffield, un centro de producción de acero en Inglaterra, prohibía rutinariamente la entrada de visitantes y turistas a la ciudad para disuadir el espionaje industrial. Así, casi no existía información metalúrgica sobre el acero hasta 1860.

Después de que Benjamin Huntsman desarrolló su acero de crisol en 1740, comenzó a experimentar con la adición de elementos como el manganeso (en forma de arrabio con alto contenido de manganeso llamado spiegeleisen), que ayudaba a eliminar impurezas como el fósforo y el oxígeno; un proceso adoptado por Bessemer y que todavía se usa en los aceros modernos (aunque en concentraciones lo suficientemente bajas como para seguir considerándose acero al carbono). Posteriormente, muchas personas comenzaron a experimentar con varias aleaciones de acero sin mucho éxito. Sin embargo, en 1882, Robert Hadfield, pionero en la metalurgia del acero, se interesó y produjo una aleación de acero que contenía alrededor del 12 % de manganeso. Llamado mangalloy, exhibía dureza y tenacidad extremas, convirtiéndose en el primer acero aleado comercialmente viable.Posteriormente, creó el acero al silicio, iniciando la búsqueda de otras posibles aleaciones de acero.

Robert Forester Mushet descubrió que al agregar tungsteno al acero se podía producir un borde muy duro que resistiría perder su dureza a altas temperaturas. El "acero especial de R. Mushet" (RMS) se convirtió en el primer acero de alta velocidad. El acero de Mushet fue rápidamente reemplazado por acero de carburo de tungsteno, desarrollado por Taylor and White en 1900, en el que duplicaron el contenido de tungsteno y agregaron pequeñas cantidades de cromo y vanadio, produciendo un acero superior para uso en tornos y herramientas de mecanizado. En 1903, los hermanos Wright utilizaron acero al cromo-níquel para fabricar el cigüeñal del motor de su avión, mientras que en 1908 Henry Ford comenzó a utilizar aceros al vanadio para piezas como cigüeñales y válvulas en su Ford Modelo T, debido a su mayor dureza y resistencia a la abrasión. altas temperaturas.En 1912, Krupp Ironworks en Alemania desarrolló un acero resistente a la oxidación al agregar 21% de cromo y 7% de níquel, produciendo el primer acero inoxidable.

Otros

Debido a su alta reactividad, la mayoría de los metales no se descubrieron hasta el siglo XIX. Humphry Davy propuso un método para extraer aluminio de la bauxita en 1807, utilizando un arco eléctrico. Aunque sus intentos no tuvieron éxito, hacia 1855 llegaron al mercado las primeras ventas de aluminio puro. Sin embargo, como la metalurgia extractiva aún estaba en sus inicios, la mayoría de los procesos de extracción de aluminio produjeron aleaciones no deseadas contaminadas con otros elementos que se encuentran en el mineral; el más abundante de los cuales era el cobre. Estas aleaciones de aluminio y cobre (en ese momento denominadas "bronce de aluminio") precedieron al aluminio puro, ofreciendo una mayor resistencia y dureza sobre el metal suave y puro, y hasta cierto punto se encontró que eran tratables térmicamente.Sin embargo, debido a su suavidad y templabilidad limitada, estas aleaciones encontraron poco uso práctico y fueron más una novedad, hasta que los hermanos Wright usaron una aleación de aluminio para construir el primer motor de avión en 1903. Durante el tiempo entre 1865 y 1910, los procesos para extrayendo muchos otros metales se descubrieron, como cromo, vanadio, tungsteno, iridio, cobalto y molibdeno, y se desarrollaron varias aleaciones.

Antes de 1910, la investigación consistía principalmente en personas privadas que trabajaban en sus propios laboratorios. Sin embargo, a medida que las industrias aeronáutica y automotriz comenzaron a crecer, la investigación de aleaciones se convirtió en un esfuerzo industrial en los años posteriores a 1910, ya que se desarrollaron nuevas aleaciones de magnesio para pistones y ruedas de automóviles, y metal para palancas y perillas, y se desarrollaron aleaciones de aluminio para Se pusieron en uso fuselajes y revestimientos de aviones.