TEMA Nº 9: LOS METALES NO FERROSOS

1. INTRODUCCIÓN

2. EL COBRE: METALURGIA DEL COBRE

a. CARACTERÍSTICAS Y APLICACIONES

b. METALURGIA DEL COBRE

c. ALEACIONES DEL COBRE

3. ALUMINIO

a. CARACTERÍSTICAS Y APLICACIONES

b. METALURGIA DEL ALUMINIO

4. OTROS METALES NO FERROSOS.

CARACTERÍSTICAS Y APLICACIONES

1- INTRODUCCIÓN El Cu, el Sn o el Pb, son metales que se conocen desde la antigüedad.

Sus propiedades mecánicas (resistencia a la dureza y a la deformación) permitieron usarlos en la fabricación de utensilios y armas.

Otros elementos no férreos como Al, Zn, Co, Ni o Mg se descubrieron más recientemente.

Se calcula que el 16% de la corteza terrestre está formada por mezclas de Cu+Zn+Pb. Sólo los compuestos del Al ya forman parte del 8% de la corteza.

Todos estos elementos tienen gran importancia a nivel tecnológico. Tienen aplicaciones variadas en construcción, materiales relacionados con el transporte, electricidad y electrónica, electrodomésticos ….

La mayoría de elementos metálicos no ferrosos son resistentes a la oxidación y la corrosión además de: moldeables y fácilmente mecanizables, buena conductividad térmica y eléctrica, buen acabado superficial (decoración) ….

1- INTRODUCCIÓN Los materiales no ferrosos se pueden clasificar en tres grandes

bloques:

Metales Pesadosd > 5g/cm3

Metales Ligeros2g/cm3 < d < 5g/cm3

Metales Ultraligerosd < 2g/cm3

Cobre (Cu)

Estaño (Sn)Plomo (Pb)

Cinc (Zn)Cromo (Pb)Níquel (Ni)Wolframio (W)Cobalto (Co)

BroncesLatonesCuproaluminioAlpacaCuproníquel

Aluminio (Al)Titanio (Ti)

Magnesio (Mg)Berilio (Be)

Tabla periódica

2- EL COBRE: METALURGIA.

El Cu es utilizado por el hombre desde el año 5000 a.d.C.

Se encuentra en la naturaleza formando los siguientes minerales:

o Sulfurados: calcopirita (CuFeS2) y calcosina (CuS2).

o Oxidados: cuprita (Cu2O); malaquita (CuCO3.Cu(OH)2).

2.1- CARACTERÍSTICAS Y APLICACIONES.

Metal de color rojizo; d=8,8 Kg/dm3; Tf=1083ºC

Muy dúctil (se obtienen hilos muy finos) y maleable (láminas de hasta 0,02 mm de espesor); conductividad térmica y eléctrica elevada.

Se oxida superficialmente formando una capa de óxido verdosa denominada cardenillo.

Se utiliza en la fabricación de cables eléctricos e hilos para bobinados.

En la fabricación de tubos y calderas para intercambiadores de calor.

Se utiliza como elemento base en las aleaciones de cobre.

2.2- METALURGIA DEL COBRE.

Dos métodos de obtención del Cu: vía seca o vía húmeda.

Vía húmeda: Cuando el porcentaje de Cu del mineral es bajo (3% a 10%). Se tritura todo el mineral, se disuelve en ácido sulfúrico y se recupera el Cu mediante electrólisis.

Vía seca: Método habitual. Sólo si el porcentaje de Cu es > 10%.

2.2- METALURGIA DEL COBRE.

1. Trituración y molienda: Hasta convertir el mineral a polvo.

2. Separación por flotación: El mineral de Cu sobrenada y la ganga se deposita en el fondo.

3. Tostación: Se oxida el Fe pero no el Cu.

4. Calcinación: Se funde el mineral en un horno de reverbero y se añade sílice (SiO2) formándose la mata blanca (sulfuro de cobre).

5. Reducción: de la mata blanca en un convertidor similar a los usados en siderurgia, obteniéndole el cobre bruto o cobre blister de 40% de pureza.

2.2- METALURGIA DEL COBRE.

Afino del cobre bruto. Dos fases: La fase térmica y la fase electrolítica.

Fase térmica: Se introduce el Cu bruto en convertidores especiales en los que se reduce el Cu2O residual. EL Cu que sale del convertidor se vierte en moldes para obtener los ánodos de la cuba electrolítica.

Fase electrolítica: Ánodo, las planchas obtenidas en la fase anterior. Cátodo, finas planchas de cobre puro.

Al pasar la corriente, el cobre bruto se disuelve y se deposita sobre las planchas del cátodo.

El cobre electrolítico tiene una pureza del 99,85%.

2.3- ALEACIONES DEL COBRE.

Bronce: aleación de Cu + Sn (5% a 30%). Si añadimos otros elementos de aleación son bronces especiales.

Propiedades:

1. Elevada resistencia mecánica; resistencia a la corrosión;

2. Buena colabilidad (permite obtener piezas complicadas: esculturas, campanas …).

3. La adición de Pb le confiere mayor resistencia al desgaste (cojinetes).

2.3- ALEACIONES DEL COBRE.

Latones: aleación de Cu + Zn (30% a 55%). Si añadimos otros elementos de aleación: latones especiales. Propiedades:

1. Son dúctiles y maleables.

2. El color amarillo los hacen aptos para la fabricación de objetos con buen aspecto: pomos, bisagras, instrumentos musicales, grifería, tornillería, tuercas ….

Otras aleaciones:

1. Cuproaluminio (Cu + Al). Alta tenacidad y resistencia a la tracción y a la corrosión. Uso en industria química, hélices, turbinas, monedas.

2. Alpaca (Cu + Ni + Zn + Sn). Ni: color plateado (plata alemana o plata Meneses); cubiertos de mesa y joyería.

3. Cuproníquel (Cu + Ni). Entre un 40% y 50% de Ni. En monedas y contactos eléctricos.

3.- EL ALUMINIO.

El Al es el tercer elemento más abundante en la naturaleza después del O y del Si. En la corteza terrestre, representa el 8,5% en peso.

No se usa como material de uso industrial hasta que en 1821 se descubre la bauxita. Del resto de minerales que contienen Al no resulta rentable su extracción.

La bauxita es un óxido o un óxido hidratado de aluminio mezclado con óxido de Fe y otros materiales.

3.1- CARACTERÍSTICAS Y APLICACIONES.

Metal muy blando de color plateado; ligero (d=2,7 Kg/dm3); Tf=675ºC

Muy dúctil y maleable (láminas de hasta 0,005 mm; papel aluminio); conductividad eléctrica elevada.

Se oxida superficialmente formando una capa de óxido que protege al metal.

Se utiliza como metal base para obtener aleaciones ligeras.

En la fabricación de aviones.

Se utiliza como sustituto del cobre en las conducciones eléctricas de gran longitud..

3.2- METALURGIA DEL ALUMINIO

El Al se obtiene de la bauxita mediante el denominado método Bayer; tiene dos fases: obtención de la alúmina (Al2O3) y reducción de la alúmina.

Obtención de la alúmina (Al2O3):

1. Se tritura y se muele la bauxita .

2. Se mezcla con cal (CaO), sosa (NaOH) y vapor de agua a presión.

3. Los residuos se separan por decantación.

4. En el intercambiador se enfría la mezcla y se separa la alúmina en la cuba de precipitación .

5. Mediante un filtro se recupera la sosa.

6. En un horno se calcina a 1200ºC eliminando la humedad.

3.2- METALURGIA DEL ALUMINIO

Reducción de la alúmina (Al2O3):

1. La alúmina se disuelve en criolita (Na3AlF6) que la protege de la oxidación .

2. La mezcla se somete a electrólisis y se descompone la alúmina en Al y O.

3. El Al se deposita en el fondo de la cuba. El recubrimiento de la cuba constituye el cátodo mientras el ánodo lo forman briquetas de carbón (antracita). Se desprende CO y CO2. Se obtiene Al del 99,8%.

3.3- DESIGNACIÓN NUMÉRICA DE Cu y Al

La norma UNE 37-103-78 regula la designación del Cu, Al y sus aleaciones de forma similar a la de los aceros: una letra y un número de cuatro cifras.

La letra C es para el Cu y sus aleaciones, la L para el Al. Las cifras mantienen el mismo significado que para los aceros.

4.- OTROS METALES: ESTAÑO (Sn) Propiedades:

o Color: blanco brillante.o d=7,28 Kg/dm3.o Tf=232ºC.o Resistividad; ρ=0,115 Ω.mm2/m.o Resistencia a la tracción; σ=5 Kg/mm2.o Dureza (escala de Mohs):1,5.o No se oxida fácilmente.o No le atacan los ácidos.o Blando y maleable en frío, frágil en

caliente. Aplicaciones:

o Recubrimientos de los aceros: Hojalatas.o Sn+Cu; Bronces.o Sn+Pb; soldaduras blandas.o Sn+Cu+Pb; materiales antifricción. o Sn+Pb+Bi+Cd; aleaciones de bajo punto

de fusión (<100ºC); fusibles eléctricos

Casiterita; SnO2

4.- OTROS METALES: ESTAÑO (Sn)

Hojalatas

Obtención de Sn:

1. Se tritura y muele la casiterita.

2. Se mezcla con agua y se separa la ganga por decantación.

3. En un horno se calcinan los posibles sulfuros a óxidos.

4. En un horno de reverbero se reducen los óxidos a Sn .

5. Se puede obtener Sn al 99% mediante procesos electrolíticos.

4.- OTROS METALES: PLOMO (Pb) Propiedades:

o Color: blanco grisáceo muy brillante.o d=11,238 Kg/dm3.o Tf=327ºC.o ρ=0,22 Ω.mm2/m.o σ=2 Kg/mm2.o Dureza: 1,5.o Cuando se oxida pierde el brilloo Buen conductor del calor y la

electricidad..o Muy blando y maleable.

Galena; PbS

Aplicaciones:o Fabricación de acumuladores.o Escudos contra radiaciones

electromagnéticas.o Utilidad en pinturas y pigmentos. Pinturas

protectoras (minio Pb3O4).

o Tóxico para el ser humano.

4.- OTROS METALES: PLOMO (Pb)

Obtención del Pb:

1. Enriquecimiento: La galena se tritura y se muele. Se separa la ganga de la mena por flotación.

2. Oxidación de sulfuros: Se tuestan (Tª>700ºC) los sulfuros y se transforman en óxidos. Se añade sílice y cal y se obtiene PbO.

3. Reducción del PbO: En un horno de mufla (como un horno alto de pequeño tamaño). El Pb obtenido tiene muchas impurezas.

4. Afinado del Pb: En primer lugar se separa de otros metales (Cu Zn, Ag etc) y después se procede al afinado electrolítico.

4.- OTROS METALES: CINC (Zn)

Blenda; ZnS+PbS(40% y 50% de Zn)

Calamina; carbonato y silicato de Zn(<40%

Zn)

Propiedades:o Color: gris azulado brillante.o d=7,14 Kg/dm3.o Tf=419ºC.o ρ=0,057 Ω.mm2/m.o σ=3 Kg/mm2.o Dureza: 2,5.o Buena resistencia a la oxidación y la

corrosión.o Muy buena conductividad térmica.

Aplicaciones:o Aleado con Cu forma el latón.o Zamak: Zn+Al(14%)+Cu(1%) aleación

para moldeo.o Aceros galvanizados.o Fabricación de chapas para tejados,

canalones, bajantes de aguas, cubas y depósitos.

4.- OTROS METALES: CINC (Zn)

Obtención del Zn: el método empleado depende del % de Zn en el mineral (igual que con el Cu).

Vía seca; concentraciones de Zn mayores del 10%.

Vía húmeda; concentración Zn < 10%.

4.- OTROS METALES: CROMO (Cr)

Crocoíta; PbCrO4

Propiedades:o Color: grisáceo acerado.o d=6,8 Kg/dm3.o Tf=1900ºC.o ρ=1,1 Ω.mm2/m.o Muy duro (8,5 escala de Mohs) y con

gran acritud.o Alta resistencia a la oxidación y la

corrosión. Aplicaciones:

o Protección y embellecimiento de superficie metálicas (cromado).

o Aleado con el Fe aumenta la resistencia del acero.

o Aleado con el Fe y el Ni: aceros inoxidables.

o Aleado junto a Ni, Mo, V y W forma aceros rápidos.

4.- OTROS METALES: NÍQUEL (Ni)

Niquelina; NiAs

Propiedades:o Color: blanco brillante plateado.o d=8,85 Kg/dm3.o Tf=1450ºC.o ρ=0,11 Ω.mm2/m.o Duro; 4; y muy tenaz, pule fácilmente

con gran brillo.o Alta resistencia a la oxidación y la

corrosión. Aplicaciones:

o Componente de algunas aleaciones del Cu: Alpaca y cuproníquel.

o Protección y embellecimiento de superficies metálicas (niquelado).

o Componente de baterías Ni-Cd.o Componente de los aceros inoxidables.o Es magnético; lo atrae un imán como si

fuera un producto ferroso.

4.- OTROS METALES: WOLFRAMIO (TUNGSTENO) (W)

Wolframita; (Fe,Mn)WO4

Propiedades:o Color: blanco brillante.o d=19 Kg/dm3.o Tf=3370ºC.o Muy dúctil y maleable en estado puro;

con impurezas duro y frágil.o Duro; 7,5; Los carburos de wolframio:

9,7. Aplicaciones:

o Filamentos de lámparas incandescentes.o En bujías y contactos eléctricos.o En fabricación de metales duros (widia).o Como componente de los aceros

rápidos. Curiosidad: En 1783 Juan José Elhuyar y Fausto Elhuyar

aislaron el wolframio de la wolframita. Dos años antes se había obtenido un metal del mineral llamado tungstene denominado en algunos países tungsteno.

4.- OTROS METALES: COBALTO (Co)

Calcita; (Ca,Co)CO3

Propiedades:o Color: blanco plateado; puede tener

otras tonalidades.o d=8,6 Kg/dm3.o Tf=1490ºC.o Propiedades análogas al Níquel, pero no

es magnético.o Duro; 5;

Aplicaciones:o El radio isótopo Co-60 es un importante

agente en el tratamiento del cáncer.o Para endurecer aceros para

herramientas (aceros rápidos).o Como elemento para fabricación de

metales duros (widia).

4.- OTROS METALES: TITANIO (Ti)

Rutilo; TiO2

Ilmenita; FeTiO3

Propiedades:o Color: blanco plateado brillante.o d=4,51 Kg/dm3.o Tf=1700ºC.o Más resistente a la corrosión que el

acero inoxidable.o Duro; 6. σ=100 Kg/mm2.o Buen conductor del calor y la

electricidad.o Resistente a los ácidos y las bases (aún

en caliente). Aplicaciones:o Al ser ligero y de altas prestaciones

mecánicas (mejor que el acero), se usa en estructuras y elementos de máquinas en aeronáutica.

o El óxido como antioxidante en pinturas.o En medicina: odontología y

traumatología.o En aleaciones de Al.o Recubrimientos de edificios

(Guggenheim).

4.- OTROS METALES: MAGNESIO (Mg)

Dolomita; CaMg(CO3)2

Carnalita; KMgCl3·6H2O

Propiedades:o Color: blanco brillante.o d=1,74 Kg/dm3.o Tf=650ºC.o En estado líquido o en polvo muy

inflamable (flash cámara fotos antiguas).o Muy maleable y poco dúctil.o Dureza:2,5; σ=18 Kg/mm2.o El aire no lo oxida, pero sí la humedad.

Aplicaciones:o Como aleación en fundición de

piezas de aviones, bicicletas, automóviles y motos de competición.

o En fabricación de productos pirotécnicos.

o Desoxidante en la fundición de otros metales.

4.- OTROS METALES: BERILIO (Be)

Berilo; Be3Al2(SiO3)6

Propiedades:o Color: gris.o d=1,85 Kg/dm3.o Tf=1280ºC. El más eñlevado entre los

metales ligeros.o Se protege de la corrosión por una fina

capa de óxido.o Un 33% más elástico que el acero..o Dureza: 5,5.o Conductividad térmica muy buena.

Aplicaciones:o Metal raro y escaso, con excelentes

aleaciones.o Moderador de neutrones en centrales

nucleares.o En fabricación de tubos de rayos X (láminas de

Be filtran radiación visible).o Fabricación de piezas de aviones, dado su bajo

coeficiente de dilatación térmica.o El Be y su óxido se usan en ordenadores y

equipos láser y de TV.