Asdrúbal Valencia Giraldo - Ciencia de los metales

Ciencia de los metales

Asdrúbal Valencia Giraldo

Ricardo Aristizábal Sierra

Ciencia y Tecnología

Facultad de Ingeniería, Universidad de Antioquia

Editorial Universidad de Antioquia®

Colección Ciencia y Tecnología

© Asdrúbal Valencia Giraldo, Ricardo Aristizábal Sierra

© Editorial Universidad de Antioquia®

ISBN: 978-958-714-944-9

ISBNe: 978-958-714-945-6

Primera edición: junio del 2020

Motivo de cubierta: Micrografía óptica de un acero eutectoide en estado homogeneizado, muestra atacada con Nital al 2%. Cortesía del Laboratorio de Fundición de la Universidad de Antioquia, Andrés Felipe Santacruz-Londoño. Agradecimientos a Jenjacap Rivera-Fernández.

hecho en Colombia / Made in Colombia

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Nociones introductorias

La metalurgia

“Metalurgia” es una palabra griega cuyas raíces significan “trabajo de los metales” (métallon: metal; ergon: trabajo); se le conoce como el arte y la ciencia de obtener los metales a partir de los minerales y adaptarlos a las necesidades del hombre.

De esta definición se comprende que la metalurgia es un arte, es decir, está basada en prácticas milenarias que solo llegan a dominarse por medio de la experiencia; y también es una ciencia, pues sus conceptos fundamentales se deducen de principios físicos, químicos y cristalográficos.

Son dos las grandes divisiones de la metalurgia: la obtención de los metales a partir de los minerales, que es la metalurgia extractiva o metalurgia química, y la adaptación a las necesidades del hombre, que es la metalurgia adaptiva, de la cual hace parte la metalurgia física.

Metalurgia extractiva

En la corteza terrestre se encuentran en estado puro solo el Pt, la Ag y el Au y ocasionalmente el Cu y el Hg. Los otros metales, en general, se hallan como minerales. Un mineral es un compuesto químico con fórmula conocida y estructura definida, inorgánico, formado naturalmente en la corteza terrestre. Los minerales más comunes en que se presentan los metales son óxidos, sulfuros, carbonatos y silicatos. A su vez, estos minerales están mezclados con otros, configurando rocas, arenas, arcillas o tierras.

El primer paso en la obtención de un metal es descubrir el lugar donde exista uno de sus minerales en cantidad adecuada, es decir, un yacimiento. Este es un trabajo de prospección que realizan los geólogos, usando distintos métodos: mecánicos, químicos, gravimétricos, magnéticos, eléctricos, aerofotográficos, etc.

Una vez ubicado el yacimiento donde existe un mineral o vena metalífera, se determina su explotación económica, es decir, se valoran las reservas probadas y probables.

La explotación de la roca que contiene el mineral es llevada a cabo por el ingeniero de minas, quien puede hacer una explotación a cielo abierto o con socavones o túneles, mediante diversas técnicas.

La explotación del yacimiento se efectúa en una mina, de la cual el material es arrancado y entregado al ingeniero metalúrgico extractivo, quien para convertirlo en metal debe seguir por lo menos tres pasos:

1 Separación del mineral y de la ganga (que es la parte no útil), en una operación conocida como beneficio de minerales o mineralurgia.

2 Tratamiento químico preliminar, el que produce un compuesto adecuado para la reducción del metal.

3 Reducción a metal, posiblemente con un tratamiento posterior de refinación.

Para separar el metal de la ganga, usualmente lo primero que se hace es una trituración y una molienda. Sigue la clasificación, que puede ser con cribas o tamices en seco o por otros medios, en los que los pedazos grandes se separan de los finos. A veces es necesario volver a aglomerar los finos a un tamaño adecuado; un método para aglomerar es la sinterización.

La concentración del mineral, para enriquecerlo durante el transporte o el proceso, se puede hacer gravimétricamente, usando corrientes de agua (canalones, mesas Wilfley, elutriadores, etc.) o de aire (ciclones), por separación eléctrica, magnética, por flotación —en la que un tipo de partículas se hace flotar por medio de reactivos, mientras que las de otros se sedimenta—, por reacciones químicas o por otros métodos según el tipo de mineral y las necesidades del proceso.

El mineral concentrado se puede tratar con calcinación y tostación —donde el metal sulfuroso, por ejemplo, se convierte en óxido—, por lixiviación o por otros procesos químicos y electroquímicos.

La reducción del mineral preparado se efectúa en hornos y convertidores de distinto tipo cuando se usa la pirometalurgia, o por medios químicos o electroquímicos cuando se emplea la vía hidrometalúrgica. Al final del proceso de refinación se tiene un metal o aleación.

Procesos de conformación

Después de la refinación del metal, todavía está en estado parcial de preparación y no es común que pueda utilizársele de manera inmediata. Debe adaptarse a las necesidades del hombre, es decir, darle unas propiedades y formas adecuadas.

La forma puede obtenerse por fundición, o sea, vaciando el metal líquido en un molde. Entra aquí en juego la ingeniería de la fundición.

Se puede lograr esto también con metalurgia de polvos, mediante calor y temperatura; por el electro formado, electro depositando el metal, o por electroerosionado, desgastando el metal con un arco eléctrico.

El principal método para conformar el metal es el trabajo en frío o en caliente (conformación plástica), donde se utilizan procesos como la forja, la laminación, la extrusión, el estirado, la trefilación, la embutición, el troquelado, el doblado, el repujado, etc.

Para este propósito de dar forma se puede usar también el maquinado, es decir, el arranque de viruta, como ocurre en el corte, taladrado, cepillado, torneado, fresado, etc.

Todos los procesos enumerados, y otros muchos que no se mencionan, dan una idea de los alcances de la metalurgia de procesos, la cual puede incluir también los métodos que se utilizan para controlar la calidad de las piezas, y que pueden ser químicos y físicos. Los ensayos se dividen comúnmente en destructivos y no destructivos.

Entre los ensayos destructivos están la metalografía en todas sus formas y los ensayos mecánicos, como: tracción, impacto, dureza, fatiga, fluencia, mecánica de fractura, etc.

Entre los ensayos no destructivos están la metrología, la radiografía, los ultrasonidos, las tintas penetrantes, las partículas magnéticas, las corrientes inducidas, el análisis térmico, etc.