Investigación sobre el Procesamiento de los metales y sus aleaciones

Las operaciones principales que encontramos en la producción de metales son la extracción, refinación, fundición, trabajo mecánico, tratamiento térmico, unión y sinterización. La extracción y la refinación son generalmente de naturaleza química, involucrando reducción y una oxidación especial. Los problemas técnicos que se encuentran en el proceso de fundición, se centran alrededor de la contracción térmica.

Los procesos de trabajo mecánico son, en su mayoría, procesos de cambio de forma: laminado, forjado, extrusión, estirado y perfilado, pero también pueden involucrar el arranque de viruta por medio de maquinado en las operaciones finales del proceso. Puesto que un metal no se endurece por deformación cuando estamos por encima de su temperatura de recristalización, se prefiere el trabajo en caliente cuando fabricamos productos metálicos de cierto tamaño. El trabajo en frió puede usarse para ajustar la resistencia y ductibilidad finales. El maquinado involucra una deformación del metal en la viruta mientras se está realizando el corte.

Los procesos térmicos incluyen el recocido para obtener homogeneización, ablandamiento y eliminación de esfuerzos. Los tratamientos térmicos pueden diseñarse de manera que ocurra un endurecimiento por precipitación y también transformaciones de fase que provocan un aumento considerable en la resistencia y la tenacidad del metal. Las reacciones del acero a las operaciones de templado y revenido lo hacen uno de los materiales de ingeniería más versátiles que se encuentran disponibles.

La unión hecha por medio de soldadura involucra todos los cambios de fase que podemos encontrar en la solidificación y tratamientos térmicos. Por esta razón es necesario entender la manera en que esto afecta las propiedades de nuestro producto final.

El sinterizado de polvos comprimidos requiere una gran difusión de átomos para unir las partículas y eliminar la porosidad. En este caso se deben contemplar las tolerancias que sean necesarias para las contracciones.

Introducción

La operación principal en el procesamiento de los metales y las aleaciones es separarlos de sus minerales y refinarlos de manera que se obtengan las composiciones que el usuario requiera. Es de considerable importancia lo anteriormente mencionado para el logro de los fines de ingeniería y científicos. Debemos citar los principios que subrayan la producción de varios metales puesto que esta información a menudo está relacionada con la selección y el uso de los metales.

Procesamiento de los metales y sus aleaciones

1.1 Extracción de los minerales.

Los minerales de los metales –excepto el oro y una pequeña parte de nuestra provisión de cobre y de plata- no están como fases metálicas. Lo más común es que sean óxidos. Aunque también pueden ser sulfuros: sulfuros de cobre, plata, plomo y zinc son fuentes importantes de esos metales. En ambos casos el metal debe ser extraído de su mineral. Aun cuando el mineral es un sulfuro (MS, donde M es el ión y S el ión sulfuro), es común que primero se oxide el metal convirtiéndolo en MO, es decir un óxido. De esta forma el primer paso en la extracción es la reducción, en la cual los iones metálicos positivos M2+, son transformados a los tomos metálicos, M:

La facilidad con la que ocurre esta reducción varía de metal a metal. El óxido de plomo se reduce fácilmente a plomo metálico, mientras que se requiere una gran cantidad de energía para efectuar la reducción de alúmina (Al2 O3). Una medida de la estabilidad de los óxidos de la cantidad de energía que se requiere para la extracción, se obtiene de la energía de formación "libre" de los diversos óxidos. Estas son las energías de reacción que se liberan cuando el metal es quemado para formar el óxido (por lo tanto, cantidades negativas). La misma cantidad de energía se requiere para separar el oxigeno del metal (por lo tanto, cantidades positivas).

Tabla No. 1

Se tienen varias opciones para forzar la reducción de los óxidos. La energía que se requiere para la reducción decrece cuando se está alcanzando la temperatura de fusión del metal. De hecho, para la plata el signo de la energía requerida se invierte, y la reducción del óxido al metal puede proceder de manera natural. Sin embargo, éste no es un método muy eficiente para quitar el oxígeno porque el consumo de energía en el horno y las pérdidas a la atmósfera circundante pueden ser grandes aún en el caso de diseñarse especialmente los equipos que se utilicen.

Una opción más práctica involucra el uso de algún agente reductor, como por ejemplo el carbono. En efecto, el carbono, que se encuentra en el óxido.

Usando PbO como un ejemplo: