Resumen los elementos metálicos y no metálicos contenidos en los minerales, mediante procesos físicos y químicos, son destinados a la producción de aleaciones utilizando estos elementos,




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títuloResumen los elementos metálicos y no metálicos contenidos en los minerales, mediante procesos físicos y químicos, son destinados a la producción de aleaciones utilizando estos elementos,
fecha de publicación06.04.2016
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ELABORACION DE ALEACIONES

Frexsedes Daniel Chunga García Ingeniería Metalúrgica Daniel53garcia@hotmail.com

RESUMEN

Los elementos metálicos y no metálicos contenidos en los minerales, mediante procesos físicos y químicos, son destinados a la producción de aleaciones utilizando estos elementos, y a partir de estas aleaciones se da la producción de cerámicas, materiales refractarios y diversos cristales. El ingeniero metalúrgico utiliza los Procesos y Operaciones Unitarias para realizar las transformaciones en el estado, la composición y las propiedades de los metales y las aleaciones. Esto incluye operaciones físicas como la trituración o molienda, la filtración a presión o al vacío, la centrifugación, el decantado, la flotación, la disolución, la destilación, el secado y la precipitación física.  También incluye operaciones químicas como el tostado, la oxidación, la reducción, la hidrometalurgia, la electrólisis, la hidrólisis, la lixiviación mediante reacciones ácido-base, la precipitación química, la electrodeposición y la cianuración. En general, el ingeniero metalúrgico trabaja en las industrias de extracción, procesamiento y fundición de materiales metálicos para la producción de aleaciones.

Palabras clave: Elementos metálicos, procesos físicos, procesos químicos, operaciones unitarias, molienda, centrifugación, hidrometalurgia.

ABSTRACT
Metallic and non-metallic elements contained in the mineral, using physical and chemical processes, are intended for the production of alloys using these elements, and from these the production of ceramic alloys, refractories and various crystals occurs. The metallurgical engineer and Unit Processes used to perform transformations in the State Operations, composition and properties of metals and alloys. This includes physical operations such as grinding or milling, pressure filtration or vacuum centrifugation, decanting, flotation, dissolution, distillation, drying and physical precipitation. It also includes chemical operations such as roasting, oxidation, reduction, hydrometallurgy, electrolysis, hydrolysis, leaching by acid-base reactions, chemical precipitation, electrode position and cyanidation. In general, the metallurgical engineer working in the industries of mining, processing and smelting of metallic materials for the production of alloys.

Keywords: Metallic elements, physical, chemical processes, unit operations, milling, centrifugation, hydrometallurgy.

INTRODUCCION


El ingeniero metalúrgico trabaja en las industrias de extracción, procesamiento y fundición de materiales metálicos para la producción de aleaciones, así como en las industrias que usan estos metales y aleaciones para producir materiales para construcción, maquinaria y herramientas y diferentes productos utilizados en la vida cotidiana, además de su transformación en productos finales (conformados de metales).  Ejemplos de estas industrias son: industria minera; metalurgia extractiva; procesos metalúrgicos en general (metalurgia química; metalurgia física; pirometalurgia;  hidrometalurgia; electrometalurgia); refinación de metales por electrólisis; fundición de hierro y acero; fundición de otros metales; elaboración de aleaciones diversas; soldadura de metales;  aplicación de polvos metálicos; análisis de fallas en metales; estudios de corrosión en metales; protección electrolítica de metales; recubrimientos metálicos; procesos de unión de metales; procesos de tratamiento térmico; restauración de piezas y componentes metálicos; elaboración de maquinaria y herramientas; industria automotriz; industria ferroviaria; industria naval; industria aeronáutica; plantas térmicas y/o nucleares; industria metalmecánica; industria pesada en general, entre otras. Asimismo, los ingenieros metalúrgicos también laboran en instituciones reguladoras estatales; en Universidades; en centros de investigación, desarrollo e innovación; en empresas de consultoría; en laboratorios de ensayos de materiales; en la regencia de industrias metalúrgicas y metalmecánicas, entre otras actividades. (Smith, 2009)

Con frecuencia las propiedades de las aleaciones son muy distintas de las de sus elementos constituyentes, y algunas de ellas, como la fuerza y la resistencia a la corrosión, pueden ser considerablemente mayores en una aleación que en los metales por separado. Por esta razón, se suelen utilizar más las aleaciones que los metales puros. El acero es más resistente y más duro que el hierro forjado, que es prácticamente hierro puro, y se usa en cantidades mucho mayores. Los aceros aleados, que son mezclas de acero con metales como cromo, manganeso, molibdeno, níquel, volframio y vanadio, son más resistentes y duros que el acero en sí, y muchos de ellos son también más resistentes a la corrosión que el hierro o el acero. Las aleaciones pueden fabricarse con el fin de que cumplan un grupo determinado de características. Un caso importante en el que son necesarias unas características particulares es el diseño de cohetes y naves espaciales y supersónicas. Los materiales usados en estos vehículos y en sus motores deben pesar poco y ser muy resistentes y capaces de soportar temperaturas muy elevadas. Para soportar esas temperaturas y reducir el peso total, se han desarrollado aleaciones ligeras y de gran resistencia hechas de aluminio, berilio y titanio. Para resistir el calor generado al entrar en la atmósfera de la Tierra, en los vehículos espaciales se están utilizando aleaciones que contienen metales como el tántalo, niobio, volframio, cobalto y níquel. 

En los reactores nucleares se utiliza una amplia gama de aleaciones especiales hechas con metales como berilio, boro, niobio, hafnio y circonio, que absorben los neutrones de una forma determinada. Las aleaciones de niobio-estaño se utilizan como superconductores a temperaturas extremamente bajas. En las plantas de desalinización se utilizan aleaciones especiales de cobre, níquel y titanio, diseñadas para resistir los efectos corrosivos del agua salina hirviendo. 

Las aleaciones presentan brillo metálico y alta conductividad eléctrica y térmica, aunque usualmente menor que los metales puros. Las propiedades físicas y químicas son, en general, similares a la de los metales, sin embargo las propiedades mecánicas tales como dureza, ductilidad, tenacidad y otras pueden ser muy diferentes, de ahí el interés que despiertan estos materiales, no tienen una temperatura de fusión única, dependiendo de la concentración, cada metal puro funde a una temperatura, coexistiendo simultáneamente la fase líquida y fase sólida como se puede apreciar en los diagramas de fase. Hay ciertas concentraciones específicas de cada aleación para las cuales la temperatura de fusión se unifica. Esa concentración y la aleación obtenida reciben el nombre de eutéctica, y presenta un punto de fusión más bajo que los puntos de fusión de los componentes. (Avner, 2005)

Una aleación puede ser un compuesto intermetálico, una disolución sólida, una mezcla íntima de cristales diminutos de los elementos metálicos constituyentes o cualquier combinación de disoluciones o mezclas de los mismos. Los compuestos intermetálicos como NaAu2, CuSn y CuAl2, no siguen las reglas ordinarias de valencia y son por lo general duros y frágiles, aunque las últimas investigaciones han aumentado la importancia de estos compuestos. Las aleaciones tienen normalmente puntos de fusión más bajos que los componentes puros. Una mezcla con un punto de fusión inferior al de otra mezcla cualquiera de los mismos componentes se llama mezcla eutéctica. El eutectoide, o fase sólida análoga del eutéctico, suele tener mejores características físicas que las aleaciones de proporciones diferentes. 

MATERIAL Y METODOS

Para la obtención de una aleación se mezclan los diversos elementos llevándolos a temperaturas tales que sus componentes se fundan y dejando luego solidificar la solución líquida formando una estructura granular cristalina apreciable a simple vista o con el microscopio óptico

La pulvimetalurgia desarrollada más recientemente, ha alcanzado gran importancia en la preparación de aleaciones con características especiales. En este proceso, se preparan las aleaciones mezclando los materiales secos en polvo, prensándolos a alta presión y calentándolos después a temperaturas justo por debajo de sus puntos de fusión. El resultado es una aleación sólida y homogénea. Los productos hechos en serie pueden prepararse por esta técnica abaratando mucho su costo.

Otra técnica de aleación es la implantación de ion, que ha sido adaptada de los procesos utilizados para fabricar chips de ordenadores o computadoras. Sobre los metales colocados en una cámara de vacío, se disparan haces de iones de carbononitrógeno y otros elementos para producir una capa de aleación fina y resistente sobre la superficie del metal. Bombardeando titanio con nitrógeno, por ejemplo, se puede producir una aleación idónea para los implantes de prótesis. (Avner, Aceros aleados, 2007)

Procesos de fusión

Los componentes se calientan en un horno a una temperatura superior a las de fusión, se logra una mezcla homogénea y posteriormente se reduce la temperatura hasta que solidifican de nuevo.

Electrólisis

Si el electrolito contiene en disolución cationes de los elementos que queremos alear, con el paso de una corriente eléctrica dichos iones se depositarán sobre el cátodo.

Compresión

Mediante un proceso similar a la sinterización, se mezclan los materiales en forma de polvo o virutas, se aumenta la presión y se calienta la mezcla hasta temperaturas inferiores a la de fusión.

Implantación de iones

El metal, colocado en una cámara de vacío, se disparan haces de iones de carbono, nitrógeno y otros elementos para producir una capa de aleación fina y resistente sobre la superficie del metal.

Tipos de aleaciones

En ingeniería las aleaciones pueden dividirse en dos tipos: ferrosas y no ferrosas.

La aleaciones ferrosas tienen al hierro como su principal metal de aleación, los aceros son aleaciones ferrosas, son importantes principalmente por su costo relativamente bajo y la variedad de aplicaciones por sus propiedades mecánicas.

Los aceros inoxidables son las aleaciones ferrosas más importantes a causa de su alta resistencia a la corrosión en medios oxidantes, para ser un acero inoxidable debe contener al menos 12% de cromo. Los hierros para fundición son otra familia industrialmente importante de las aleaciones ferrosas. Son de bajo costo y tienen propiedades especiales tales como un buena moldeabilidad, resistencia a la corrosión, al choque térmico, al desgaste y durabilidad.

Las aleaciones no ferrosas tienen un metal distinto del hierro.

Las aleaciones de aluminio son las más importantes entre las no ferrosas principalmente por su ligereza, endurecibilidad por deformación, resistencia a la corrosión y su precio relativamente bajo.

Otras aleaciones no ferrosas son las de magnesio, titanio y níquel. Las de magnesio son excepcionalmente ligeras y tienen aplicaciones aeroespaciales.

Las aleaciones de titanio son caras, pero tienen una combinación de resistencia y ligereza que no es asequible para cualquier otro sistema de aleación y por esta razón se usan ampliamente en las piezas estructurales de los aviones.

Las aleaciones de níquel presentan una gran resistencia a la corrosión y oxidación y son por tanto son usadas comúnmente en los procesos industriales químicos y de petróleos. Con la mezcla de níquel, cobalto y cromo se forma la base para las superaleaciones de níquel, necesarias para las turbinas de gas de aviones de propulsión a chorro y algunas baterías eléctricas.

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FIGURA 1: TIPOS DE ALEACIONES (J.Cama, 2008)



Históricamente, la mayoría de las aleaciones se preparaban mezclando los materiales fundidos. Más recientemente, la pulvimetalurgia ha alcanzado gran importancia en la preparación de aleaciones con características especiales. En este proceso, se preparan las aleaciones mezclando los materiales secos en polvo, prensándolos a alta presión y calentándolos después a temperaturas justo por debajo de sus puntos de fusión. El resultado es una aleación sólida y homogénea. Los productos hechos en serie pueden prepararse por esta técnica abaratando mucho su costo. Entre las aleaciones que pueden obtenerse por pulvimetalurgia están los cermets. Estas aleaciones de metal y carbono (carburos), boro (boruros), oxígeno (óxidos), silicio (siliciuros) y nitrógeno (nitruros) combinan las ventajas del compuesto cerámico, estabilidad y resistencia a las temperaturas elevadas y a la oxidación, con las ventajas del metal, ductilidad y resistencia a los golpes. Otra técnica de aleación es la implantación de ion, que ha sido adaptada de los procesos utilizados para fabricar chips de ordenadores o computadoras. Sobre los metales colocados en una cámara de vacío, se disparan haces de iones de carbono, nitrógeno y otros elementos para producir una capa de aleación fina y resistente sobre la superficie del metal. Bombardeando titanio con nitrógeno, por ejemplo, se puede producir una aleación idónea para los implantes de prótesis. 

Las aleaciones más comunes utilizadas en la industria son:

  • Acero: Es aleación de hierro con una cantidad de carbono variable entre el 0,008 y el 1,7% en peso de su composición, sobrepasando el 1.7% (hasta 6.67%) pasa a ser una fundición.

  • Acero inoxidable: El acero inoxidable se define como una aleación de acero con un mínimo del 10 % al 12 % de cromo contenido en masa

  • Alnico: Formada principalmente de cobalto (5.24%), aluminio (8-12%) y níquel (15-26%), aunque también puede contener cobre (6%), en ocasiones titanio (1%) y el resto de hierro.

  • Alpaca: Es una aleación ternaria compuesta por zinc (8-45%), cobre (45-70%) y níquel (8-20%)

  • Bronce: Es toda aleación metálica de cobre y estaño en la que el primero constituye su base y el segundo aparece en una proporción del 3 al 20 %.

  • Constantán: Es una aleación, generalmente formada por un 55% de cobre y un 45% de níquel.

  • Cuproníquel: Es una aleación de cobre, níquel y las impurezas de la consolidación, tales como hierro y manganeso.

  • Cuproaluminio: Es una aleación de cobre con aluminio.

  • Latón: Es una aleación de cobre con zinc.

  • Magal: Es una aleación de magnesio, al que se añade aluminio (8 o 9%), zinc (1%) y manganeso (0.2%).

  • Magnam: Es una aleación de Manganeso que se le añade Aluminio y Zinc.

  • Nicrom: Es una aleación compuesta de un 80% de níquel y un 20% de cromo.

  • Nitinol: titanio y níquel.

  • Oro blanco (electro): Es una aleación de oro y algún otro metal blanco, como la plata, paladio, o níquel.

  • Peltre: Es una aleación compuesta por estaño, cobre, antimonio y plomo.

  • Plata de ley

  • Zamak: Es una aleación de base zinc, aluminio, magnesio y cobre. (C.Llerena, 2006)



RESULTADOS

Al saber todas sus propiedades, tipos de aleaciones, etc. Podemos hacer una aleación con todas las características, y podremos preparar los metales fundidos química y física por lo cual nos sirve de mucho para saber de las aleaciones.

AGRADECIMIENTO

Agradecemos a nuestro profesos Pedro Figueroa quien nos guio en la preparación de este proyecto, también a los autores de donde pudimos sacar la información para realizar este proyecto.

Bibliografía


Avner, H. (2005). Tratamiento Térmico del Acero. Introducción a la metalúrgica Física.

Avner, H. (2007). Aceros aleados. Introducción a la metalúrgica Física.

C.Llerena. (2006). Aleaciones mas comunes. Metalurgica Basica, 34.

J.Cama. (2008). Tipos de Aleaciones. Aleaciones , 48.

Smith, W. (2009). Aleaciones en lass Industrias. –Fundamentos de la ciencia e ingeniería de los materiales.

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