Metalurgia

La metalurgia es un dominio de la ciencia e ingeniería de materiales que estudia el comportamiento físico y químico de los elementos metálicos, sus compuestos intermetálicos y sus mezclas, que se conocen como aleaciones. La metalurgia abarca tanto la ciencia como la tecnología de los metales; es decir, la forma en que se aplica la ciencia a la producción de metales y la ingeniería de componentes metálicos utilizados en productos tanto para consumidores como para fabricantes. La metalurgia es distinta del oficio de trabajar los metales. La metalurgia se basa en la metalurgia de manera similar a como la medicina se basa en la ciencia médica para el avance técnico. Un médico especialista en metalurgia se conoce como metalúrgico.

La ciencia de la metalurgia se subdivide en dos grandes categorías: metalurgia química y metalurgia física. La metalurgia química se ocupa principalmente de la reducción y oxidación de los metales y del comportamiento químico de los metales. Los temas de estudio de la metalurgia química incluyen el procesamiento de minerales, la extracción de metales, la termodinámica, la electroquímica y la degradación química (corrosión). Por el contrario, la metalurgia física se centra en las propiedades mecánicas de los metales, las propiedades físicas de los metales y el rendimiento físico de los metales. Los temas estudiados en metalurgia física incluyen cristalografía, caracterización de materiales, metalurgia mecánica, transformaciones de fase y mecanismos de falla.

Históricamente, la metalurgia se ha centrado predominantemente en la producción de metales. La producción de metales comienza con el procesamiento de minerales para extraer el metal e incluye la mezcla de metales para hacer aleaciones. Las aleaciones metálicas suelen ser una mezcla de al menos dos elementos metálicos diferentes. Sin embargo, a menudo se agregan elementos no metálicos a las aleaciones para lograr propiedades adecuadas para una aplicación. El estudio de la producción de metales se subdivide en metalurgia ferrosa (también conocida como metalurgia negra) y metalurgia no ferrosa (también conocida como metalurgia coloreada). La metalurgia ferrosa involucra procesos y aleaciones basados ​​en hierro, mientras que la metalurgia no ferrosa involucra procesos y aleaciones basados ​​en otros metales. La producción de metales ferrosos representa el 95% de la producción mundial de metales.

Los metalúrgicos modernos trabajan tanto en áreas emergentes como tradicionales como parte de un equipo interdisciplinario junto con científicos de materiales y otros ingenieros. Algunas áreas tradicionales incluyen el procesamiento de minerales, la producción de metales, el tratamiento térmico, el análisis de fallas y la unión de metales (incluida la soldadura, la soldadura fuerte y la soldadura blanda). Las áreas emergentes para los metalúrgicos incluyen nanotecnología, superconductores, compuestos, materiales biomédicos, materiales electrónicos (semiconductores) e ingeniería de superficies. Muchas aplicaciones, prácticas y dispositivos asociados o relacionados con la metalurgia se establecieron en la antigua China, como la innovación del alto horno, el hierro fundido, los martillos perforadores accionados hidráulicamente y los fuelles de pistón de doble efecto.

Etimología y pronunciación

Metalurgia deriva del griego antiguo μεταλλουργός, metallourgós, "trabajador en metal", de μέταλλον, métallon, "mina, metal" + ἔργον, érgon, "trabajo" La palabra era originalmente un término alquimista para la extracción de metales de minerales, el terminación -urgia que significa un proceso, especialmente la fabricación: se discutió en este sentido en la Encyclopædia Britannica de 1797. A fines del siglo XIX, se extendió al estudio científico más general de metales, aleaciones y procesos relacionados. En inglés, la / m ɛ ˈ t æ lLa pronunciación ər dʒ i /es la más común en el Reino Unido y la Commonwealth. La/ ˈ m ɛ t əl ɜːr dʒ i /es la más común en los EE. UU. y es la primera variante mencionada en varios diccionarios estadounidenses (p. ej.,Merriam-Webster Collegiate,American Heritage).

Historia de la metalurgia

El metal más antiguo registrado empleado por humanos parece ser el oro, que se puede encontrar libre o "nativo". Se han encontrado pequeñas cantidades de oro natural en cuevas españolas que datan del Paleolítico tardío, 40.000 a. La plata, el cobre, el estaño y el hierro meteórico también se pueden encontrar en forma nativa, lo que permite una cantidad limitada de trabajo con metales en las culturas primitivas. Ciertos metales, en particular el estaño, el plomo y, a mayor temperatura, el cobre, pueden recuperarse de sus minerales simplemente calentando las rocas en un fuego o en un alto horno, un proceso conocido como fundición. La primera evidencia de esta metalurgia extractiva, que data del quinto y sexto milenio antes de Cristo, se ha encontrado en sitios arqueológicos en Majdanpek, Jarmovac y Pločnik, en la actual Serbia.Hasta la fecha, la evidencia más temprana de fundición de cobre se encuentra en el sitio de Belovode cerca de Plocnik. Este sitio produjo un hacha de cobre del 5500 a. C., perteneciente a la cultura Vinča.

El uso más antiguo de plomo está documentado en los asentamientos neolíticos tardíos de Yarim Tepe y Arpachiyah en Irak. Los artefactos sugieren que la fundición de plomo es anterior a la fundición de cobre.

La fundición de cobre también está documentada en este sitio aproximadamente en el mismo período (poco después del 6000 a. C.), aunque el uso de plomo parece preceder a la fundición de cobre. La metalurgia temprana también está documentada en el sitio cercano de Tell Maghzaliyah, que parece estar fechado incluso antes, y carece por completo de esa cerámica. Los Balcanes fueron el sitio de las principales culturas neolíticas, incluidas Butmir, Vinča, Varna, Karanovo y Hamangia.

La Necrópolis de Varna, Bulgaria, es un lugar de enterramiento en la zona industrial occidental de Varna (aproximadamente a 4 km del centro de la ciudad), considerado internacionalmente uno de los sitios arqueológicos clave en la prehistoria mundial. El tesoro de oro más antiguo del mundo, que data del 4600 a. C. al 4200 a. C., fue descubierto en el sitio. La pieza de oro que data del 4.500 a. C., recientemente encontrada en Durankulak, cerca de Varna, es otro ejemplo importante. Otros indicios de metales primitivos se encuentran desde el tercer milenio antes de Cristo en lugares como Palmela (Portugal), Los Millares (España) y Stonehenge (Reino Unido). Sin embargo, los comienzos finales no pueden determinarse claramente y los nuevos descubrimientos son continuos y continuos.

En el Cercano Oriente, alrededor del año 3500 a. C., se descubrió que combinando cobre y estaño se podía fabricar un metal superior, una aleación llamada bronce. Esto representó un gran cambio tecnológico conocido como la Edad del Bronce.

La extracción de hierro de su mineral en un metal trabajable es mucho más difícil que la del cobre o el estaño. El proceso parece haber sido inventado por los hititas alrededor del año 1200 a. C., comenzando la Edad del Hierro. El secreto de extraer y trabajar el hierro fue un factor clave en el éxito de los filisteos.

Los desarrollos históricos en la metalurgia ferrosa se pueden encontrar en una amplia variedad de culturas y civilizaciones pasadas. Esto incluye los reinos e imperios antiguos y medievales de Oriente Medio y Oriente Próximo, el antiguo Irán, el antiguo Egipto, la antigua Nubia y Anatolia (Turquía), la antigua Nok, Cartago, los griegos y romanos de la antigua Europa, la Europa medieval, la antigua y China medieval, India antigua y medieval, Japón antiguo y medieval, entre otros. Muchas aplicaciones, prácticas y dispositivos asociados o relacionados con la metalurgia se establecieron en la antigua China, como la innovación del alto horno, el hierro fundido, los martillos perforadores accionados hidráulicamente y los fuelles de pistón de doble efecto.

Un libro del siglo XVI de Georg Agricola llamado De re metallica describe los procesos altamente desarrollados y complejos de minería de minerales metálicos, extracción de metales y metalurgia de la época. Agricola ha sido descrito como el "padre de la metalurgia".

Extracción

La metalurgia extractiva es la práctica de extraer metales valiosos de un mineral y refinar los metales en bruto extraídos en una forma más pura. Para convertir un óxido o sulfuro de metal en un metal más puro, el mineral debe reducirse física, química o electrolíticamente. Los metalúrgicos extractivos están interesados ​​en tres corrientes principales: alimentación, concentrado (óxido/sulfuro de metal) y relaves (residuos).

Después de la extracción, se rompen grandes trozos de la alimentación de mineral mediante trituración o molienda para obtener partículas lo suficientemente pequeñas, donde cada partícula es en su mayoría valiosa o en su mayoría desecho. La concentración de las partículas de valor en una forma que admite la separación permite eliminar el metal deseado de los productos de desecho.

La minería puede no ser necesaria, si el cuerpo del mineral y el entorno físico son propicios para la lixiviación. La lixiviación disuelve los minerales en un yacimiento y da como resultado una solución enriquecida. La solución se recolecta y procesa para extraer metales valiosos. Los cuerpos minerales a menudo contienen más de un metal valioso.

Los relaves de un proceso anterior pueden utilizarse como alimentación en otro proceso para extraer un producto secundario del mineral original. Además, un concentrado puede contener más de un metal valioso. Ese concentrado luego se procesaría para separar los metales valiosos en constituyentes individuales.

El metal y sus aleaciones

Los metales de ingeniería comunes incluyen aluminio, cromo, cobre, hierro, magnesio, níquel, titanio, zinc y silicio. Estos metales se utilizan con mayor frecuencia como aleaciones, con la notable excepción del silicio.

Se ha puesto mucho esfuerzo en comprender el sistema de aleación hierro-carbono, que incluye aceros y fundiciones. Los aceros al carbono simples (aquellos que contienen esencialmente solo carbono como elemento de aleación) se utilizan en aplicaciones de alta resistencia y bajo costo, donde ni el peso ni la corrosión son una preocupación importante. Los hierros fundidos, incluido el hierro dúctil, también forman parte del sistema hierro-carbono. Las aleaciones de hierro-manganeso-cromo (aceros tipo Hadfield) también se utilizan en aplicaciones no magnéticas, como la perforación direccional.

Se utilizan acero inoxidable, particularmente aceros inoxidables austeníticos, acero galvanizado, aleaciones de níquel, aleaciones de titanio u ocasionalmente aleaciones de cobre, donde la resistencia a la corrosión es importante.

Las aleaciones de aluminio y las aleaciones de magnesio se usan comúnmente cuando se requiere una pieza fuerte y liviana, como en aplicaciones automotrices y aeroespaciales.

Las aleaciones de cobre y níquel (como Monel) se utilizan en entornos altamente corrosivos y para aplicaciones no magnéticas.

Las superaleaciones a base de níquel como Inconel se utilizan en aplicaciones de alta temperatura, como turbinas de gas, turbocompresores, recipientes a presión e intercambiadores de calor.

Para temperaturas extremadamente altas, se utilizan aleaciones monocristalinas para minimizar la fluencia. En la electrónica moderna, el silicio monocristalino de alta pureza es esencial para los transistores de óxido de metal y silicio (MOS) y los circuitos integrados.

Producción

En la ingeniería de producción, la metalurgia se ocupa de la producción de componentes metálicos para su uso en productos de consumo o de ingeniería. Esto implica la producción de aleaciones, la conformación, el tratamiento térmico y el tratamiento superficial del producto.

Determinar la dureza del metal usando las escalas de dureza Rockwell, Vickers y Brinell es una práctica común que ayuda a comprender mejor la elasticidad y plasticidad del metal para diferentes aplicaciones y procesos de producción.

La tarea del metalúrgico es lograr el equilibrio entre las propiedades del material, como el costo, el peso, la resistencia, la tenacidad, la dureza, la corrosión, la resistencia a la fatiga y el rendimiento en temperaturas extremas. Para lograr este objetivo, se debe considerar cuidadosamente el entorno operativo.

En un entorno de agua salada, la mayoría de los metales ferrosos y algunas aleaciones no ferrosas se corroen rápidamente. Los metales expuestos a condiciones frías o criogénicas pueden sufrir una transición de dúctil a frágil y perder su tenacidad, volviéndose más frágiles y propensos al agrietamiento. Los metales sometidos a cargas cíclicas continuas pueden sufrir fatiga del metal. Los metales bajo estrés constante a temperaturas elevadas pueden arrastrarse.

Procesos metalúrgicos

Los metales son moldeados por procesos tales como

1. Fundición: el metal fundido se vierte en un molde con forma.
2. Forja: se martilla una palanquilla al rojo vivo para darle forma.
3. Laminación: una palanquilla se pasa a través de rodillos cada vez más estrechos para crear una hoja.
4. Extrusión: un metal caliente y maleable se fuerza bajo presión a través de una matriz, que le da forma antes de que se enfríe.
5. Mecanizado: tornos, fresadoras y taladros cortan el metal frío para darle forma.
6. Sinterización: un metal en polvo se calienta en un entorno no oxidante después de comprimirse en una matriz.
7. Fabricación: las láminas de metal se cortan con guillotinas o cortadores de gas y se doblan y sueldan en forma estructural.
8. Revestimiento láser: se sopla polvo metálico a través de un rayo láser móvil (por ejemplo, montado en una máquina NC de 5 ejes). El metal fundido resultante llega a un sustrato para formar un charco de fusión. Al mover la cabeza del láser, es posible apilar las pistas y construir una pieza tridimensional.
9. Impresión 3D: sinterización o fusión de polvo de metal amorfo en un espacio 3D para dar forma a cualquier objeto.

Los procesos de trabajo en frío, en los que la forma del producto se modifica mediante laminación, fabricación u otros procesos, mientras el producto está frío, pueden aumentar la resistencia del producto mediante un proceso llamado endurecimiento por trabajo. El endurecimiento por trabajo crea defectos microscópicos en el metal, que resisten más cambios de forma.

Existen varias formas de fundición en la industria y la academia. Estos incluyen fundición en arena, fundición de inversión (también llamado proceso de cera perdida), fundición a presión y fundición continua. Cada una de estas formas tiene ventajas para ciertos metales y aplicaciones considerando factores como el magnetismo y la corrosión.

Tratamiento térmico

Los metales se pueden tratar térmicamente para alterar las propiedades de resistencia, ductilidad, tenacidad, dureza y resistencia a la corrosión. Los procesos comunes de tratamiento térmico incluyen recocido, endurecimiento por precipitación, enfriamiento rápido y revenido.

El proceso de recocido ablanda el metal al calentarlo y luego dejar que se enfríe muy lentamente, lo que elimina las tensiones en el metal y hace que la estructura del grano sea grande y de bordes suaves, de modo que, cuando el metal es golpeado o estresado, se abolla o tal vez se dobla., en lugar de romper; también es más fácil lijar, moler o cortar metal recocido.

El enfriamiento rápido es el proceso de enfriar el metal muy rápidamente después del calentamiento, "congelando" así las moléculas del metal en forma de martensita muy dura, lo que hace que el metal sea más duro.

El templado alivia las tensiones en el metal causadas por el proceso de endurecimiento; el templado hace que el metal sea menos duro y lo hace más capaz de soportar impactos sin romperse.

A menudo, los tratamientos mecánicos y térmicos se combinan en lo que se conoce como tratamientos termomecánicos para obtener mejores propiedades y un procesamiento más eficiente de los materiales. Estos procesos son comunes a los aceros especiales de alta aleación, superaleaciones y aleaciones de titanio.

Enchapado

La galvanoplastia es una técnica de tratamiento químico de superficies. Implica unir una capa delgada de otro metal como oro, plata, cromo o zinc a la superficie del producto. Esto se hace seleccionando la solución electrolítica del material de recubrimiento, que es el material que va a recubrir la pieza de trabajo (oro, plata, zinc). Debe haber dos electrodos de diferentes materiales: uno del mismo material que el material de recubrimiento y otro que recibe el material de recubrimiento. Dos electrodos se cargan eléctricamente y el material de recubrimiento se adhiere a la pieza de trabajo. Se utiliza para reducir la corrosión así como para mejorar la apariencia estética del producto. También se usa para hacer que los metales baratos se parezcan a los más caros (oro, plata).

Granallado

El granallado es un proceso de trabajo en frío que se utiliza para acabar piezas metálicas. En el proceso de granallado, se lanza granalla redonda pequeña contra la superficie de la pieza que se va a terminar. Este proceso se utiliza para prolongar la vida útil de la pieza, prevenir fallas por corrosión bajo tensión y también prevenir la fatiga. La granalla deja pequeños hoyuelos en la superficie como lo hace un martillo, lo que causa tensión de compresión debajo del hoyuelo. A medida que el medio de inyección golpea el material una y otra vez, forma muchos hoyuelos superpuestos en toda la pieza que se está tratando. El esfuerzo de compresión en la superficie del material fortalece la pieza y la hace más resistente a fallas por fatiga, fallas por tensión, fallas por corrosión y agrietamiento.

Pulverización térmica

Las técnicas de rociado térmico son otra opción de acabado popular y, a menudo, tienen mejores propiedades a altas temperaturas que los recubrimientos galvanizados. El rociado térmico, también conocido como proceso de soldadura por rociado, es un proceso de recubrimiento industrial que consiste en una fuente de calor (llama u otro) y un material de recubrimiento que puede estar en forma de polvo o alambre, que se funde y luego se rocía sobre la superficie de el material que se está tratando a alta velocidad. El proceso de tratamiento por pulverización se conoce con muchos nombres diferentes, como HVOF (combustible de oxígeno de alta velocidad), pulverización de plasma, pulverización por llama, pulverización por arco y metalización.

Caracterización

Los metalúrgicos estudian la estructura microscópica y macroscópica de los metales mediante la metalografía, una técnica inventada por Henry Clifton Sorby.

En metalografía, una aleación de interés se aplana y se pule hasta obtener un acabado de espejo. Luego, la muestra se puede grabar para revelar la microestructura y la macroestructura del metal. Luego, la muestra se examina en un microscopio óptico o electrónico, y el contraste de la imagen proporciona detalles sobre la composición, las propiedades mecánicas y el historial de procesamiento.

La cristalografía, que a menudo utiliza la difracción de rayos X o electrones, es otra herramienta valiosa disponible para el metalúrgico moderno. La cristalografía permite la identificación de materiales desconocidos y revela la estructura cristalina de la muestra. La cristalografía cuantitativa se puede utilizar para calcular la cantidad de fases presentes, así como el grado de tensión al que se ha sometido una muestra.