Metalurgia

Trabajadores de la fundición de oro en Siuna , Nicaragua, a finales del siglo XX.

Fundición , el proceso de verter metal fundido en un molde.

La metalurgia es un campo de la ciencia e ingeniería de los materiales que estudia el comportamiento físico y químico de los elementos metálicos, sus compuestos intermetálicos y sus mezclas, conocidas como aleaciones .

La metalurgia abarca tanto la ciencia como la tecnología de los metales, incluyendo su producción y la ingeniería de componentes metálicos utilizados en productos tanto para consumidores como para fabricantes. La metalurgia se distingue del oficio de trabajar metales al proporcionarle una base científica, del mismo modo que la ciencia médica sustenta la práctica de la medicina. Un 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 metales, así como de su comportamiento químico. Entre los temas de estudio de la metalurgia química se incluyen el procesamiento de minerales, la extracción de metales, la termodinámica , la electroquímica y la degradación química ( corrosión ). ^{[ 1 ]} Por el contrario, la metalurgia física se centra en las propiedades mecánicas, físicas y el comportamiento físico de los metales. Los temas estudiados en la metalurgia física incluyen la cristalografía , la caracterización de materiales , la metalurgia mecánica, las transformaciones de fase y los mecanismos de falla . ^{[ 2 ]}

Históricamente, la metalurgia se ha centrado principalmente en la producción de metales. La producción de metales comienza con el procesamiento de los minerales para extraer el metal e incluye la mezcla de metales para formar aleaciones. Las aleaciones metálicas suelen ser una mezcla de dos o más elementos metálicos. Sin embargo, a menudo se añaden elementos no metálicos a las aleaciones para lograr propiedades adecuadas para una aplicación específica. 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 comprende procesos y aleaciones basados ​​en hierro, mientras que la metalurgia no ferrosa comprende procesos y aleaciones basados ​​en otros metales. La producción de metales ferrosos representa el 95% de la producción mundial de metales. ^{[ 3 ]}

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 (incluyendo soldadura, soldadura fuerte y soldadura blanda ). Las áreas emergentes para los metalúrgicos incluyen la nanotecnología , los superconductores , los materiales compuestos, los materiales biomédicos, los materiales electrónicos (semiconductores) y la ingeniería de superficies .

La metalurgia deriva del griego antiguo μεταλλουργός , metallourgós , «trabajador del metal», de μέταλλον , métallon , «mina, metal» + ἔργον , érgon , «trabajo». La palabra era originalmente un término alquímico para la extracción de metales de los minerales, y la terminación -urgy significaba un proceso, especialmente la fabricación; se trató en este sentido en la Encyclopædia Britannica de 1797. ^{[ 4 ]}

A finales del siglo XIX, la definición de metalurgia se extendió al estudio científico más general de metales, aleaciones y procesos relacionados. En inglés, la pronunciación / m ɛ ˈ t æ l ər dʒ i / es la más común en el Reino Unido, mientras que la pronunciación / ˈ m ɛ t əl ɜːr dʒ i / es la más común en los Estados Unidos y es la primera variante que aparece en varios diccionarios estadounidenses, incluidos Merriam-Webster Collegiate y American Heritage .

El metal más antiguo empleado por los humanos parece ser el oro, que se puede encontrar en estado nativo . Se han encontrado pequeñas cantidades de oro natural, que datan del Paleolítico tardío , 40.000 a. C., en cuevas españolas. ^{[ 5 ]} También se pueden encontrar plata, cobre, estaño y hierro meteórico en estado nativo, lo que permitió una cantidad limitada de metalurgia en las primeras culturas. ^{[ 6 ]} Se ha documentado metalurgia fría temprana, que utilizaba cobre nativo que no se fundía a partir de mineral, en sitios de Anatolia y en el sitio de Tell Maghzaliyah en Irak , que data del 7.º al 6.º milenio a. C. ^{[ 7 ] [ 8 ] [ 9 ]}

El apoyo arqueológico más antiguo de la fundición (metalurgia en caliente) en Eurasia se encuentra en los Balcanes y los Cárpatos , como lo demuestran los hallazgos de objetos hechos por fundición de metales que datan de alrededor de 6200 ~ 5000 a. C., con la invención de la metalurgia del cobre. ^{[ 10 ] [ 11 ] [ 8 ] [ 9 ]} Ciertos metales, como el estaño, el plomo y el cobre, pueden recuperarse de sus minerales simplemente calentando las rocas en un fuego de temperatura relativamente moderada o en un alto horno en un proceso conocido como fundición . La primera evidencia de fundición de cobre, que data del sexto milenio a. C., ^{[ 12 ]} se ha encontrado en sitios arqueológicos en Majdanpek , Jarmovac y Pločnik , en la actual Serbia . ^{[ 13 ] [ 8 ]} El sitio de Pločnik ha producido un hacha de cobre fundido que data del 5500 a. C., perteneciente a la cultura Vinča . ^{[ 14 ]} Los Balcanes y la región adyacente de los Cárpatos fueron la ubicación de importantes culturas calcolíticas , incluidas Vinča, Varna , Karanovo , Gumelnița y Hamangia , que a menudo se agrupan bajo el nombre de ' Vieja Europa '. ^{[ 15 ]} Con la región Cárpato-Balcánica descrita como la 'provincia metalúrgica más antigua de Eurasia', ^{[ 9 ] [ 11 ]} su escala y calidad técnica de producción de metales en el VI-V milenio a. C. eclipsaron por completo la de cualquier otro centro de producción contemporáneo. ^{[ 9 ] [ 16 ] [ a ] ​​[ b ]}

El uso documentado más antiguo del plomo (posiblemente nativo o fundido) en el Cercano Oriente data del sexto milenio a. C. y proviene de los asentamientos neolíticos tardíos de Yarim Tepe y Arpachiyah en Irak. Los artefactos sugieren que la fundición de plomo pudo haber precedido a la fundición de cobre. ^{[ 17 ]} También se ha encontrado metalurgia del plomo en los Balcanes durante el mismo período. ^{[ 8 ]}

La fundición de cobre está documentada en yacimientos de Anatolia y en el yacimiento de Tal-i Iblis, en el sureste de Irán, desde aproximadamente el año 5000 a . C. ^{[ 7 ]}

La fundición de cobre se documenta por primera vez en la región del Delta del norte de Egipto alrededor del 4000 a . C. , asociada con la cultura Maadi . Esto representa la evidencia más antigua de fundición en África. ^{[ 18 ] [ c ]}

La necrópolis de Varna , Bulgaria, es un yacimiento funerario situado en la zona industrial occidental de Varna, a unos 4  km del centro de la ciudad, considerado internacionalmente como uno de los yacimientos arqueológicos clave de la prehistoria mundial. El tesoro de oro más antiguo del mundo, que data de entre el 4600 a. C. y el 4200 a. C., fue descubierto en Varna. ^{[ 19 ]} La pieza de oro que data del 4500 a. C., encontrada en 2019 en Durankulak , cerca de Varna, es otro ejemplo importante. ^{[ 20 ] [ 21 ]} Otros indicios de metales antiguos se encuentran del tercer milenio a. C. en Palmela , Portugal, Los Millares , España y Stonehenge , Reino Unido. Sin embargo, los comienzos precisos no se han determinado con claridad y los nuevos descubrimientos son continuos y están en curso.

Aproximadamente en el año 1900 a. C., existían antiguos yacimientos de fundición de hierro en Tamil Nadu . ^{[ 22 ] [ 23 ]}

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

La extracción del hierro de su mineral para convertirlo 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., dando inicio a la Edad del Hierro . La capacidad de extraer y trabajar el hierro fue un factor clave en el éxito de los filisteos . ^{[ 24 ] [ 25 ]}

Los avances históricos en la metalurgia ferrosa se pueden encontrar en una amplia variedad de culturas y civilizaciones del pasado. Esto incluye los antiguos reinos e imperios medievales de Oriente Medio y Cercano Oriente, el antiguo Irán, el antiguo Egipto, la antigua Nubia y Anatolia en la actual Turquía, la antigua Nok , Cartago , los celtas , griegos y romanos de la antigua Europa, la Europa medieval, la antigua y medieval China, la antigua y medieval India, el antiguo y medieval Japón, entre otros.

El proceso Wootz se desarrolló y practicó en el subcontinente indio ya en el año 300 a. C., aunque sin duda hacia el año 200 a. C. se producía acero de alta calidad en el sur de la India mediante lo que los europeos denominarían más tarde la técnica del crisol. El acero de Golconda, también llamado acero Wootz, es un acero de ultra alto contenido en carbono, con una inclusión natural de vanadio formador de carburo ( ~0,005 %), lo que da lugar a la formación de nanomateriales en su microestructura y se caracteriza por exhibir propiedades como la superplasticidad y una alta dureza al impacto. La evidencia arqueológica y literaria en lengua tamil sugiere que este proceso de fabricación ya existía en el sur de la India mucho antes de la era común, con el acero Wootz exportado desde la dinastía Chera y llamado hierro serico en Roma, y ​​más tarde conocido como acero de Damasco en Europa. La investigación sobre reproducción llevada a cabo por el Prof. JD Verhoeven y Al Pendray identificó el papel de las impurezas dentro del mineral local, en la formación de carburos, y el ciclo térmico repetido de las hojas, en la creación del patrón, y reprodujo hojas de acero Wootz con patrones microscópica y visualmente idénticos a los patrones de hojas antiguas. ^{[ 26 ] [ 27 ] [ 28 ]}

Un libro del siglo XVI de Georg Agricola , De re metallica , describe los procesos altamente desarrollados y complejos de extracción de minerales metálicos y metalurgia de la época. Agricola ha sido descrito como el "padre de la metalurgia". ^{[ 29 ]}

La metalurgia extractiva consiste en extraer metales valiosos de un mineral y refinar los metales extraídos hasta obtener una forma más pura. Para convertir un óxido o sulfuro metálico en un metal más puro, el mineral debe reducirse física, química o electrolíticamente. Los metalúrgicos extractivos se interesan por tres corrientes principales: materia prima, concentrado (óxido/sulfuro metálico) y relaves (residuos).

Tras la extracción, los trozos grandes del mineral se trituran o muelen para obtener partículas lo suficientemente pequeñas, donde cada partícula es mayoritariamente valiosa o mayoritariamente de desecho. La concentración de las partículas valiosas en un proceso que facilite la separación permite extraer el metal deseado de los residuos.

La minería puede no ser necesaria si el yacimiento y el entorno físico son propicios para la lixiviación . La lixiviación disuelve los minerales del yacimiento y produce una solución enriquecida. Esta solución se recoge y procesa para extraer metales valiosos. Los yacimientos suelen contener más de un metal valioso.

Los residuos de un proceso anterior pueden utilizarse como materia prima en otro proceso para extraer un producto secundario del mineral original. Además, un concentrado puede contener más de un metal valioso. Dicho concentrado se procesaría para separar los metales valiosos en sus componentes individuales.

Se ha dedicado un gran esfuerzo a comprender el sistema de aleaciones de 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 bajo costo y alta resistencia, donde ni el peso ni la corrosión representan una preocupación importante. Las fundiciones, 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.

Otros metales de ingeniería incluyen aluminio, cromo, cobre, magnesio, níquel, titanio, zinc y silicio. Estos metales se utilizan con mayor frecuencia como aleaciones, con la notable excepción del silicio, que no es un metal. Otras formas incluyen:

• El acero inoxidable , en particular los aceros inoxidables austeníticos , el acero galvanizado , las aleaciones de níquel , las aleaciones de titanio o, en ocasiones, las aleaciones de cobre , se utilizan cuando la resistencia a la corrosión es importante.
• Las aleaciones de aluminio y magnesio se utilizan habitualmente cuando se requiere una pieza ligera y resistente, como por ejemplo en aplicaciones automotrices y aeroespaciales.
• Las aleaciones de cobre-níquel (como el Monel ) se utilizan en entornos altamente corrosivos y para aplicaciones no magnéticas.
• Las superaleaciones a base de níquel, como el 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 deformación por fluencia . En la electrónica moderna, el silicio monocristalino de alta pureza es esencial para los transistores de metal-óxido-silicio (MOS) y los circuitos integrados .

En ingeniería de producción , la metalurgia se ocupa de la fabricación de componentes metálicos para productos de consumo o de ingeniería. Esto incluye la producción de aleaciones, el conformado, el tratamiento térmico y el tratamiento superficial del producto. La tarea del metalúrgico consiste en lograr un equilibrio entre las propiedades del material, tales 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, es fundamental considerar cuidadosamente el entorno operativo.

Las pruebas de dureza (utilizando escalas como Rockwell, Vickers y Brinell) son una práctica común para caracterizar la elasticidad y plasticidad de un metal ^{[ 30 ]} . 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 experimentar una transición de dúctil a frágil y perder su tenacidad, volviéndose más frágiles y propensos a agrietarse. Los metales bajo carga cíclica continua pueden sufrir fatiga del metal . Los metales bajo tensión constante a temperaturas elevadas pueden fluir.

Procesos de metalurgia

• Fundición : el metal fundido se vierte en un molde con la forma deseada. Entre las variantes de fundición se incluyen la fundición en arena , la fundición a la cera perdida, la fundición a presión , la fundición centrífuga (tanto vertical como horizontal) y la fundición continua. Cada una de estas formas presenta ventajas para ciertos metales y aplicaciones, considerando factores como el magnetismo y la corrosión. ^{[ 31 ]}
• Forjado : un lingote al rojo vivo se martilla para darle forma.
• Laminado : un lingote se pasa a través de rodillos cada vez más estrechos para crear una lámina.
• Extrusión : un metal caliente y maleable se fuerza a través de una matriz bajo presión, que le da forma antes de que se enfríe.
• Mecanizado : tornos , fresadoras y taladros cortan el metal frío dándole forma.
• Sinterización : un metal en polvo se calienta en un ambiente no oxidante después de ser comprimido en un molde.
• Fabricación : las láminas de metal se cortan con guillotinas o cortadoras de gas , se doblan y se sueldan para darles forma estructural.
• Revestimiento láser : se proyecta polvo metálico a través de un haz láser móvil (por ejemplo, montado en una máquina CNC de 5 ejes). El metal fundido resultante alcanza un sustrato y forma un baño de fusión. Al mover el cabezal láser, es posible apilar las pistas y construir una pieza tridimensional.
• Impresión 3D : Sinterización o fusión de polvo metálico amorfo en un espacio tridimensional para dar forma a cualquier objeto.

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

Tratamiento térmico

Los metales pueden someterse a tratamiento térmico para alterar sus propiedades de resistencia, ductilidad, tenacidad, dureza y resistencia a la corrosión. Los procesos comunes de tratamiento térmico incluyen recocido, endurecimiento por precipitación , temple y revenido: ^{[ 32 ]}

• El proceso de recocido ablanda el metal calentándolo y luego dejándolo enfriar muy lentamente, lo que elimina las tensiones internas del metal y hace que la estructura del grano sea grande y de bordes suaves, de modo que, cuando el metal es golpeado o sometido a tensión, se abolla o tal vez se dobla, en lugar de romperse; además, es más fácil lijar, pulir o cortar el metal recocido.
• El temple es el proceso de enfriar un metal muy rápidamente después de calentarlo, "congelando" así las moléculas del metal en la forma de martensita, que es muy dura, lo que hace que el metal sea más resistente.
• El revenido alivia las tensiones en el metal causadas por el proceso de endurecimiento; el revenido hace que el metal sea menos duro, pero a la vez le permite soportar mejor los impactos sin romperse.

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

Enchapado

La galvanoplastia es una técnica de tratamiento químico de superficies. Consiste en adherir una fina capa de otro metal, como oro, plata, cromo o zinc, a la superficie del producto. Esto se logra seleccionando la solución electrolítica del material de recubrimiento, que es el material que recubrirá la pieza (oro, plata, zinc). Se necesitan dos electrodos de materiales diferentes: uno del mismo material que el material de recubrimiento y otro que recibirá el recubrimiento. Ambos electrodos se cargan eléctricamente y el material de recubrimiento se adhiere a la pieza. Se utiliza para reducir la corrosión y mejorar la apariencia estética del producto. También se utiliza para que metales económicos parezcan metales más caros (oro, plata). ^{[ 33 ]}

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 lija hasta obtener una superficie plana y se pule hasta alcanzar un acabado de espejo. Posteriormente, la muestra se ataca químicamente para revelar la microestructura y la macroestructura del metal. A continuación, la muestra se examina con 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 valiosa herramienta a disposición del metalúrgico moderno. Permite identificar 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 deformación al que ha sido sometida la muestra.

Las técnicas de caracterización avanzadas que se utilizan con frecuencia en este campo son: la microscopía electrónica de barrido (SEM), la microscopía electrónica de transmisión (TEM), la difracción de electrones retrodispersados ​​(EBSD) y la tomografía de sonda atómica (APT).