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METALES Y
ALEACIONES
Realizado por: CARLOS LUENGO JAVIER ECOMO ÁLVARO LÓPEZ OMAR ESPEJO
1º A – BACHILLERATO
NUEVOS MATERIALES METÁLICOS
CARLOS LUENGO
Desde hace unos 9.000 años, la Humanidad ha estado ligada al uso de materiales metálicos. El conocimiento de los metales ha marcado la historia de la especie humana (Edad del Cobre, Edad del Bronce y Edad del Hierro).
Un gran hito fue, el descubrimiento de que la fusión y mezcla de metales cambiaba sus propiedades.
Sin los metales, la Revolución Industrial y el posterior desarrollo tecnológico no hubieran ocurrido.
Los primeros metales descubiertos: cobre, estaño, plata, oro y hierro, siguen estando en los avances científicos y tecnológicos actuales.
Por ejemplo, el superconductor cobre, es el primer elemento metálico del que se tiene constancia. O el hierro, en el que se siguen fabricando las impresionantes plataformas petrolíferas del Mar del Norte, con alturas de hasta 270 metros.
Estos materiales siguen de actualidad por la continua investigación sobre sus propiedades físicas y químicas. Los avances, han permitido el desarrollo de nuevos materiales específicamente diseñados para soportar condiciones extremas de trabajo. Actualmente, la investigación y las nuevas aplicaciones de los metales, se dirige a la búsqueda de nuevas aleaciones, las más importantes son:
•Aceros combinados con Titanio, Vanadio o Niobio, para mejorar la dureza y la resistencia del metal. Se usan en la construcción de grandes rascacielos.
•Nuevas aleaciones de aluminio, ligeras pero resistentes que se emplean en la industria aeronáutica.
La investigación científica actual, persigue conseguir unos materiales que combinen, junto a su viabilidad económica, costes de producción aceptables. Se busca obtener:
Elevadas propiedades mecánicas:
-Alto límite elástico. -Carga de rotura y dureza. -Resistencia a la fatiga y al desgaste. -Tolerancia al daño.
Elevada resistencia a la corrosión y a la oxidación a altas temperaturas. Procesado susceptible de aplicación industrial. Fácil disponibilidad de los constituyentes de la aleación.
Hay una gran variedad de aleaciones existentes, por lo que dentro de los nuevos materiales metálicos, nos centraremos en tres ejemplos de los llamados materiales metálicos estructurales.
El acero: un nuevo material
La industria siderúrgica ha estado en primera línea del avance tecnológico, a lo que ha ayudado su bajo coste -en comparación con otros materiales-, su disponibilidad y su gran variedad en composiciones y propiedades.
Actualmente, hay más de 2.000 tipos de aceros: un ejemplo de su uso ha sido en la construcción de la Torre Taipéi 101, en Taipéi (Taiwán), con 509 m. de altura y 101 plantas.
La Torre Taipéi , a partir de la planta 62, está construida íntegramente con 5 tipos de aceros, que conjugan alta resistencia con ductilidad (capacidad para adquirir pequeñas deformaciones, por efecto de los terremotos).
Estos tipos de acero, se han obtenido mediante procesos que permiten controlar resistencia mecánica, tenacidad y soldabilidad, por modificación de la microestructura.
Las propiedades de los aceros actuales nada tienen que ver con las de los producidos años atrás:
-Ya en la década de los 80, la industria del automóvil se revolucionó con la aparición de los llamados aceros HSLA, que redujeron el peso de las carrocerías en un 35%.
-Además, respecto a los aceros al carbono convencionales, aumentaban su límite elástico y mejoraban la resistencia al impacto y a la torsión.
-Los aceros con un contenido en C del 0,15% incorporaban distintas proporciones de aleantes como el Ti, V o Nb.
En estos últimos veinte años, estos aceros han quedado superados por la nueva generación de aceros avanzados de alta resistencia.
Esta revolución ha dado como fruto la aparición de nuevas familias de aceros:
-los de fase dual, con más ductilidad y resistencia.
-los aceros TRIP, con una excelente ductilidad, permitiendo conformar piezas de difícil geometría y un endurecimiento durante el proceso de deformación. Esto se traduce en que un impacto sobre el material, lejos de romperlo, lo endurece, repercutiendo de manera directa sobre la seguridad del vehículo.
El siguiente paso son dos nuevas familias de aceros: los TWIP, con ultra alto contenido en manganeso (hasta 25%), que conjugan una muy alta resistencia, con extrema ductilidad.
Y los aceros superbainíticos libres de carburos, con excelentes propiedades de resistencia y tenacidad.
Aleaciones de aluminioEl aluminio es el gran competidor del acero para algunos usos por su baja densidad, muy útil para el transporte aeroespacial.
Además de su gran resistencia a la corrosión y sus propiedades mecánicas, superiores incluso a las de muchos aceros.
Los nuevos materiales metálicos de uso aeroespacial tienen además un reto añadido: la tolerancia al daño, es decir, la capacidad de seguir operando en condiciones de seguridad cuando se ha producido un daño en la estructura.
Las nuevas aleaciones de aluminio resisten sin romperse.
Al igual que los aceros, la familia de las aleaciones de aluminio es vasta y sus propiedades físico-químicas dependerán de la combinación adecuada de sus aleantes (Cu, Mn, Si, Mg, Zn o Li), lo que las conferirá un uso específico.
Aleaciones de aluminioPor ejemplo, en el AIRBUS 380, más del 60% de la estructura está hecha de aleaciones de aluminio.
Junto a estas nuevas aleaciones, aparece el glare, nuevo material compuesto de aleación de aluminio y vidrio laminados de manera conjunta formando multicapas, por lo que presenta una alta resistencia al desgaste y al impacto.
En estos momentos se está trabajando ya sobre la tercera generación de aleaciones de Al-Li. Estas nuevas aleaciones pueden soldarse, lo que abre nuevas perspectivas para su empleo en los fuselajes de aviones.
Los materiales desarrollados, tardan años hasta que llegan a las aeronaves, ya que todas sus propiedades deben superar rigurosos límites técnicos y de seguridad aérea.
Hay una generación de nuevos materiales, conocidos como superaleaciones:
Las superaleaciones de base níquel suponen el 35% de toda la producción. Estas aleaciones se usan en industria aerospacial y en la de generación de energía.
Poseen características mecánicas excepcionales a altas temperaturas. Una hoja de turbina puede estar trabajando durante 35.000 horas a 1.200ºC sin sufrir daños mecánicos, ni de corrosión, lo que da idea de la resistencia de este tipo de materiales.
En la actualidad, las turbinas pueden llegar a trabajar a 1.600ºC, por lo que se han incorporado elementos del grupo del platino (Ru, Rh, Ir) que aumentan la resistencia de estos materiales.
Las aleaciones de titanio, en aplicaciones biomédicas, electrónicas, en la industria química o en usos marinos, por su combinación de resistencia mecánica a temperaturas elevadas, su resistencia a la corrosión y su resistencia al desgaste.
La industria aeroespacial ha desarrollado diferentes aleaciones de Ti-Al-V con adiciones de Cr, Zr y/o Mo, que presentan mejor resistencia a la fatiga y ductilidad.
Variaciones de estas aleaciones, también han demostrado su importancia en la industria de la energía: para aplicaciones geotérmicas y sin que se produzca corrosión.
Igualmente, la excelente biocompatibilidad de las aleaciones de titanio hace que su uso se extienda en prótesis osteoarticulares.
EL COLTÁN
CARLOS LUENGO
¿QUÉ ES? El coltán es un mineral de color gris oscuro o negro, metálico y opaco.
Su nombre corresponde a la contracción del nombre de otros dos minerales muy raros de los que está compuesto:
-Columbita (COL)→ óxido de niobio con
hierro y manganeso (Fe, Mn)Nb2O6
-Tantalita (TAN)→ óxido de tantalio con
hierro y manganeso (Fe, Mn)Ta2O6
Ambos minerales se combinan en proporciones no definidas,
formando el coltán.
El coltán se descubrió en 1802 por el sueco A.G.Ekeberg, cuando estudiaba una muestra mineral de Finlandia, concretamente de tantalita. El coltán es relativamente escaso en la naturaleza.
El interés de su explotación se basa fundamentalmente en extraer el tantalio. El valor del coltán depende del porcentaje de tantalita y del porcentaje de óxido de tantalio contenido en la tantalita.
El valor del coltán es muy alto, por lo que hay que controlar su producción.
Es un negocio rentable para gobiernos, distribuidores y fabricantes.
El coltán es utilizado en casi la totalidad de los dispositivos electrónicos. Es un claro ejemplo de material que, debido a sus aplicaciones, ha pasado de ser considerado una simple curiosidad mineral, a un compuesto de gran valor estratégico para el avance tecnológico.
PROPIEDADES DEL COLTÁNEl coltán se caracteriza por:
Su superconductividad, por su capacidad para conducir la corriente eléctrica con muy baja resistencia.
Es ultrarrefractario, capaz de soportar temperaturas muy elevadas.
Su capacidad de almacenar carga eléctrica temporal y liberarla cuando se necesita. Por ejemplo, permite que las baterías de los teléfonos móviles mantengan por más tiempo su carga y optimizan el consumo de corriente eléctrica.
Su alta resistencia a la corrosión y a la alteración en general, lo cual le hace idóneo para usos en el espacio, fuera de la Tierra.
El tantalio (Ta):
• Tiene una alta eficacia volumétrica, que permite
reducir el tamaño de los equipos electrónicos.
• Tiene una alta fiabilidad y estabilidad en un
amplio rango de temperaturas: (-55ºC a 125ºC).
• Es un metal tan resistente como el vidrio.
• Es extremadamente dúctil y maleable: puede ser
doblado, enrollado, soldado…por lo que se usa
en aleaciones, con el objeto de obtener
materiales resistentes a muy altas
temperaturas.
• Su densidad lo hace muy útil para fines militares
porque permite penetrar los blindajes. Entra
también en la composición de piezas
electrónicas y de equipamiento de la industria
química, tecnología de los misiles, reactores
nucleares y cirugía.
El niobio (Nb):
• Tiene gran superconductividad, lo que permite crear
electroimanes muy potentes usados en aparatos de
resonancia magnética y en aceleradores de partículas.
APLICACIONES
Es imprescindible en sectores como la microelectrónica, las
telecomunicaciones y la industria aeroespacial, para la fabricación de
componentes electrónicos avanzados.
El coltán se usa, principalmente, en la fabricación de condensadores. Se utiliza en industrias de aparatos eléctricos, GPS, televisores de
plasma, videoconsolas, portátiles, PDAs, MP3, MP4, juguetes
electrónicos, cámaras de fotos, fibra óptica, satélites artificiales, cohetes,
armas teledirigidas y misiles, centrales atómicas…. aunque la mayor parte de la producción se
destina a la elaboración de condensadores y otras partes de los
teléfonos móviles.
¿DÓNDE ESTAN SUS RESERVAS? El 80% de las reservas mundiales de coltán se encuentra en África,
concretamente al este de la República Democrática del Congo. El 10% en Australia. El 5% en Brasil. El 5% restante en Tailandia.
Aunque sus reservas base son prácticamente desconocidas , los mayores productores de coltán son: Australia, Brasil, Canadá, el Congo, Burundi, Etiopía y Ruanda.
Ruanda es uno de los mayores productores, pese a no tener reservas de coltán.
Rusia también es rico en coltán, aunque sus depósitos aún no han sido explotados.
España es deficitaria en niobio y tantalio, aunque no existen estudios detallados y los trabajos de exploración minera realizados hasta ahora, son escasos y poco conocidos.
Las grandes multinacionales pujan para hacerse con el monopolio de la producción de coltán: empresas americanas, belgas y chinas están intentando comprar las minas. Para conseguirlo, suministran armas a los señores de la guerra.
¿CÓMO SE EXTRAE?
El coltán se extrae con procesos primitivos, en minas
a cielo abierto.
Los trabajadores excavan de forma artesanal
grandes agujeros en hileras, para sacarlo del subsuelo.
Echan agua y el lodoformado se vierte en grandes tubos de lavado,
logrando que el metal, debido a su peso,
se deposite en el fondo.
Un buen trabajador puede producir un kilo de coltán diario.
Se trabaja en régimen de semiesclavitud y muchos trabajadores son niños.
¿QUÉ PROBLEMAS SE DERIVAN
DE SU EXTRACCIÓN?
Su explotación en África está ligada a muchosconflictos bélicos para conseguir el control
de este material, además de las condiciones de explotación
en régimen de semiesclavitud, desastres medioambientales con
gravísimas repercusiones en la fauna local de especies protegidas (gorilas, elefantes)
e incluso, graves problemas de salud asociados a los arcaicos e infrahumanos
métodos de explotación.
Realmente, el coltán, la “escoria negruzca”, el recurso estratégico de las nuevas tecnologías,
sale muy caro.
PROBLEMAS BÉLICOS
En el Congo, el coltán es motivo de conflictos geopolíticos porque los beneficios de su explotación hacen que se entremezclen: los intereses del Estado con los
de los países fronterizos, las guerrillas que operan en la región, las multinacionales occidentales y los contrabandistas.
Numerosas guerras fronterizas, pasan inadvertidas en Europa. Se han llegado a contabilizar más de sesenta simultáneas,
mientras algunas organizaciones pacifistas de países desarrollados, ni siquiera parecían enterarse.
Incluso se ha hecho creer que son guerras tribales, aunque sean guerras para apoderarse de las reservas de tantalio.
Estos conflictos se han cobrado la vida de 4 millones de personas desde 1997.
Gran parte de los ingresos por venta de coltán, han servido para comprar armas para los ejércitos y milicias, han ayudado a financiar varios bandos de conflictos
armados -como el caso de la Segunda Guerra del Congo-, conflictos con millones de muertos
al igual que algunas guerrillas colombianas, donde existe el mismo problema.
El tráfico de coltán trae efectos colaterales desastrosos para la geopolítica y para la estabilidad regional.
Algunos países fronterizos con el Congo
que no tienen coltán, hacen figurar este
mineral en sus cuentas de beneficios anuales.
Se trata de un coltán "apropiado”.
Las invasiones de las guerrillas
financiadas por las mafias,
explican estas posesiones de coltán.
Hay un gran negocio de contrabando de coltán que implica a Ruanda, Uganda y Burundi.
Ruanda y Uganda están exportando
a Occidente coltán robado del Congo,
principalmente a los Estados Unidos,
donde se utiliza para la fabricación
de condensadores electrolíticos de tantalio.
Las mayores empresas fabricantes de estos condensadores, han hecho
un llamamiento a sus proveedores de coltán, para que certifiquen la procedencia de los
minerales y evitar que provengan del Congo, con el objeto de acabar con el
contrabando ilegal de las regiones de Centroáfrica y evitar seguir financiando las
guerrillas.
PROBLEMAS HUMANOS
Los conflictos bélicos suelen provocar grandes
desplazamientos de población, con consecuencias gravísimas:
hambrunas, enfermedades y violencia.
Los refugiados, sin hogar ni tierras, son consecuencia de
estos grandes desplazamientos de población.
La acción constante de las guerrillas sobre la población
indefensa, es habitual y poco o nada pueden hacer las fuerzas de paz internacionales.
Pero el principal problema es la explotación laboral de los trabajadores
para la extracción de coltán: Mientras mafias internacionales y contrabandistas se enriquecen,
más de 10.000 mineros congoleños trabajan en condiciones de verdadera esclavitud,
vigilados por fuerzas paramilitares, recolectando en condiciones infrahumanas la arcilla rica en coltán.
Un trabajador congoleño cualquiera cobra unos 10$ mensuales. Un trabajador que extrae coltán, entre 10$ y 50$ semanales,
pudiendo llegar a sacar un kilo diario (por lo que no es rentable trabajar en agricultura y ganadería),
mientras que el kilo de coltán cotiza en el mercado internacional entre 400 - 500 dólares por kilo.
Además, miles de niños trabajan en las minas, abandonando la escuela y los estudios. Los niños,
son mano de obra muy barata. Además, son más ágiles y tienen menor tamaño que los adultos
para el acceso a los hoyos.
PROBLEMAS DE SALUD
Un problema adicional, que podríatener consecuencias graves, está directamente relacionado con las
asociaciones de minerales típicas de estos yacimientos.
Elementos como el uranio, el torio y el radio (entre otros),
pueden aparecer formando fases minerales asociadas al coltán,
o estar incluso presentes en la propia estructura cristalina
de la columbita y tantalita.
Ante estos elementos radioactivos, los trabajadores se encuentran expuestos
sin ninguna protección: ya se han evidenciado dosis de radiación en los
trabajadores congoleños que se dedican de forma artesanal a la
extracción de coltán, de hasta 18 mSv por año.
PROBLEMAS AMBIENTALESLa extracción de coltán tiene consecuencias medioambientales notables, como la destrucción de valiosos ecosistemas, pues los principales yacimientos coinciden con los hábitats de los gorilas, en peligro de extinción.
El santuario de los gorilas de montaña de los volcanes Virunga, se encuentra en tierras fronterizas afectadas plenamente por la “guerra del coltán”, y suele ser invadido periódicamente por las guerrillas, que avanzan o retroceden en función de las contiendas.
Los científicos se ven obligados a escapar a toda prisa y cuando pueden volver, suelen encontrar diezmadas a las familias de gorilas, que estaban estudiando.
Se sabe que la población de gorilas de montaña se ha reducido en un 90% en las zonas afectadas por la actuación de las guerrillas. La de elefantes, en un 80%. Una verdadera destrucción masiva que acabará a corto plazo con la gran fauna centroafricana.
Otros problemas ambientales son:
Invasión de tierras vírgenes, provocando grandes daños para la fauna salvaje.
Contaminación de los ríos y de los grandes lagos.
Tala de bosques para extraer el coltán.
Destrucción del entorno, con la pérdida de la posibilidad del desarrollo de estos países por la vía del turismo.
Abandono de las tierras de cultivo y de los animales domésticos, con desastrosas consecuencias ecológicas y económicas, como la falta de abastecimiento de productos básicos, en algunas zonas.
Metales ferrosos y no
ferrososÁlvaro López
Tipos de aleaciones
férricasJavier Ecomo
Tipos de metales ferrosos
Omar Espejo
Metales ferrosos
• Los materiales férricos son aquellos que en su composición tienen principalmente hierro, como el acero ( mezcla de hierro con un poco de carbono ) o el hierro puro.
• La gran ventaja de este material es su precio relativamente bajo y la capacidad de unirse con otros elementos para mejorar sustancialmente sus propiedades.
• Según el porcentaje:
– Hierro Dulce, con carbono <0.1%. Se oxida muy fácilmente, en cuestión de horas se forma una capa marrón que va destruyendo el material. Es un material blando y magnético, por ello se suele emplear en piezas de electroimanes.
– Aceros donde 0,1% < C < 2%. Tenemos un material donde el carbono es menor al 2%. También se oxidan, son mas duros al tener mas carbono, tenaces, dúctiles y maleables. Se pueden soldar sin problemas y su uso va desde los vehículos de todo tipo, herramientas de corte como la broca y hojas, etc. Si le añadimos un 12% de cromo tenemos el acero inoxidable
– Fundiciones, cuando el carbono es mayor del 2% y menor del 5%. A mayor carbono, mayor dureza, pero la ductilidad y tenacidad empeoran. Funden a temperaturas menores y son apropiados para fabricar piezas complicadas ( se adaptan muy bien al molde ). Su uso va desde los motores a las rejillas de alcantarillas.
• Como se obtiene los materiales:– Alto horno: El alto horno
tiene, normalmente, una altura de unos 30 metros y para evitar la pérdida de calor, las paredes suelen estar hechas con ladrillos refractarios con aislantes especiales.
– La mezcla de las 3 sustancias es introducida por la parte superior donde también se encuentra unos respiraderos para la salida de los gases de la combustión. Además tenemos la entrada del aire ( necesario para que se produzca la combustión del coque ) y salidas para la escoria y el arrabio.
– El esquema es 1. Se añade alternativamente
capas de carbón, piedra caliza y mineral de hierro ( punto A).
2. En el punto B y por medio de unos fuelles, se fuerza la entrada de aire para que haya una buena combustión de la mezcla
3. Parte del carbón quemado pasa al hierro y otro se combina con el oxígeno para formar gases
4. La parte que nos interesa y que contiene el material de hierro desciende a la parte mas baja del horno (C) de donde obtenemos el arrabio
5. Las sustancias de desecho ( escoria ) flotan sobre el hierro fundido y son evacuadas por el D.
– Horno afino: • sirve para quitar las impurezas
del arabio, Para ello se usa un horno convertidor.
• Es muy sencillo. Con el arrabio cargado en una gran cubeta, se introduce una lanza por la que entramos el oxígeno.
• El oxígeno en contacto con el carbono que sobra produce una reacción por la que aporta mas calor y se produce CO2.Se suele añadir chatarra a la mezcla para reutilizar el material de nuevo.
• El tiempo que este la lanza dentro del convertidor, determinará cuanto carbono quedará en la cubeta y de esa manera obtenemos el hierro o la fundición ” a la carta
• En la actualidad se utiliza para sacar acero de la chatarra es el horno eléctrico . Su funcionamiento:
1. Se quita la tapadera y se introduce la chatarra y el fundente.
2. Se cierra el horno y se acercan los electrodos a la chatarra, para que salte el arco eléctrico y comience a fundir chatarra.
3. Cuando la chatarra está fundida, se inyecta oxígeno para eliminar los elementos indeseables del baño, como silicio, magnesio, fósforo.
4. Se inclina el horno y se extrae la escoria. A continuación se le añade el carbono y ferroaleaciones y se sigue calentando hasta que las adiciones se disuelvan y se uniformice la composición del baño.
5. Se inclina el horno y se vierte el acero en la cuchara, que lo llevará al área de moldeo.
Materiales no ferrosos• Estos metales, a pesar de
presentar características específicas, presentan una serie de propiedades físicas generales que los identifican:– Estado sólido a temperatura
normal, excepto el mercurio que es líquido
– Opacidad, excepto en capas de muy pequeño espesor.
– Buenos conductores eléctricos y térmicos
– Brillantes, una vez pulidos– Estructura cristalina en estado
sólido
• Tipos de materiales :– Cobre: Debido a su gran conductividad térmica y eléctrica, su uso queda casi exclusivamente para estos cometidos ( cables, tubos de calderas .. ) ya que no es un material barato. Se suelda con facilidad , es muy dúctil y maleable y cuando se oxida, forma una capa verdosa que le protege .
– Aluminio: También es un excelente conductor de la electricidad y del calor. Es muy blando con baja densidad. Como en el caso del cobre ( aunque mejor aún), al oxidarse forma una fina capa de óxido de aluminio que le hace enormemente resistente a la oxidación. Se usa mucho en la industria de la alimentación debido a su nula toxicidad, así como en marcos de ventanas y aplicaciones del estilo, ya que son resistentes a la humedad, radiaciones solares, etc.
– Estaño:
Muy blando e inoxidable. Se emplea fundamentalmente en la soldadura de cobre ( cables eléctricos y tubos de calefacción ) debido a a su bajo punto de fusión.
Otro uso es el recubrimiento de láminas de acero para fabricar la hojalata
– Cinc:
Se suele emplear junto con otros metales. Muy resistente a la corrosión, se emplea mucho en el proceso de galvanizado por el cual se añade este elemento a la capa externa del metal ( generalmente un acero ) para crear un material muy resistente en la intemperie.Los quita-miedos de las carreteras son otro ejemplo entre otros
– Aleaciones:• Latón . Con una base de
cobre, se le añade entre el 5 y 40 % de cinc. En este caso mejoramos al doble la resistencia a la tracción de sus componentes base. Se suele emplear como herrajes, material de fontanería y accesorios en general.
• Bronce. Empleamos de nuevo una base de cobre a la que añadimos un 10 % de estaño. El resultado es un material mas resistente a la tracción que los latones, resiste a la corrosión y cuando está fundido es muy fluido, por lo que es apropiado para hacer figuras usando moldes. Sus aplicaciones van desde cojinetes o engranajes hasta estatuas
FIN
