Aleación - Alloy

Metal de madera , una aleación eutéctica de bajo punto de fusión de bismuto , plomo , estaño y cadmio . Los granos individuales se ven como las superficies planas de los cristales.

Una aleación es una mezcla de metales o un metal combinado con uno o más elementos . Por ejemplo, la combinación de los elementos metálicos oro y cobre produce oro rojo , el oro y la plata se convierte en oro blanco y la plata combinada con cobre produce plata esterlina . La combinación de hierro con carbono no metálico o silicio produce aleaciones llamadas acero o acero al silicio . La mezcla resultante forma una sustancia con propiedades que a menudo difieren de las de los metales puros, como una mayor resistencia o dureza. A diferencia de otras sustancias que pueden contener bases metálicas pero que no se comportan como metales, como el óxido de aluminio (zafiro), el silicato de berilio y aluminio (esmeralda) o el cloruro de sodio (sal), una aleación conservará todas las propiedades de un metal en el material resultante. , como conductividad eléctrica , ductilidad , opacidad y brillo . Las aleaciones se utilizan en una amplia variedad de aplicaciones, desde las aleaciones de acero, que se utilizan en todo, desde edificios hasta automóviles, herramientas quirúrgicas, aleaciones exóticas de titanio utilizadas en la industria aeroespacial y aleaciones de berilio y cobre para herramientas que no produzcan chispas. En algunos casos, una combinación de metales puede reducir el costo total del material al tiempo que conserva propiedades importantes. En otros casos, la combinación de metales imparte propiedades sinérgicas a los elementos metálicos constituyentes, como resistencia a la corrosión o resistencia mecánica. Ejemplos de aleaciones son acero, soldadura , latón , peltre , duraluminio , bronce y amalgamas .

Una aleación puede ser una solución sólida de elementos metálicos (una sola fase, donde todos los granos metálicos (cristales) son de la misma composición) o una mezcla de fases metálicas (dos o más soluciones, formando una microestructura de cristales diferentes dentro del metal). . Los compuestos intermetálicos son aleaciones con una estequiometría y estructura cristalina definidas . Las fases de Zintl también se consideran a veces aleaciones según los tipos de enlace (consulte el triángulo de Van Arkel-Ketelaar para obtener información sobre la clasificación de enlaces en compuestos binarios).

Las aleaciones se definen por un carácter de unión metálica . Los componentes de la aleación se miden generalmente en porcentaje de masa para aplicaciones prácticas y en fracción atómica para estudios de ciencias básicas. Las aleaciones generalmente se clasifican como aleaciones de sustitución o intersticiales , dependiendo de la disposición atómica que forma la aleación. Pueden clasificarse además como homogéneos (que constan de una sola fase), heterogéneos (que constan de dos o más fases) o intermetálicos .

Introducción

Bronce líquido , que se vierte en moldes durante la fundición.
Una lámpara de latón .

Una aleación es una mezcla de elementos químicos , que forma una sustancia impura (mezcla) que conserva las características de un metal . Una aleación se diferencia de un metal impuro en que, con una aleación, los elementos añadidos están bien controlados para producir propiedades deseables, mientras que los metales impuros como el hierro forjado están menos controlados, pero a menudo se consideran útiles. Las aleaciones se fabrican mezclando dos o más elementos, al menos uno de los cuales es un metal. Esto generalmente se llama metal primario o metal base, y el nombre de este metal también puede ser el nombre de la aleación. Los otros constituyentes pueden ser o no metales pero, cuando se mezclan con la base fundida, serán solubles y se disolverán en la mezcla. Las propiedades mecánicas de las aleaciones a menudo serán bastante diferentes de las de sus componentes individuales. Un metal que normalmente es muy blando ( maleable ), como el aluminio , puede modificarse aleándolo con otro metal blando, como el cobre . Aunque ambos metales son muy blandos y dúctiles , la aleación de aluminio resultante tendrá una resistencia mucho mayor . Agregar una pequeña cantidad de carbono no metálico al hierro cambia su gran ductilidad por la mayor resistencia de una aleación llamada acero . Debido a su muy alta resistencia, pero aún sustancial dureza , y su capacidad de ser alterado en gran medida por el tratamiento térmico , el acero es una de las aleaciones más útiles y comunes en el uso moderno. Al agregar cromo al acero, se puede mejorar su resistencia a la corrosión , creando acero inoxidable , mientras que agregar silicio alterará sus características eléctricas, produciendo acero al silicio .

Al igual que el aceite y el agua, es posible que un metal fundido no siempre se mezcle con otro elemento. Por ejemplo, el hierro puro es casi completamente insoluble con cobre. Incluso cuando los constituyentes sean solubles, cada uno tendrá normalmente un punto de saturación , más allá del cual no se podrá agregar más constituyente. El hierro, por ejemplo, puede contener un máximo de 6,67% de carbono. Aunque los elementos de una aleación normalmente deben ser solubles en estado líquido , es posible que no siempre sean solubles en estado sólido . Si los metales permanecen solubles cuando están sólidos, la aleación forma una solución sólida , convirtiéndose en una estructura homogénea que consta de cristales idénticos, denominada fase . Si a medida que la mezcla se enfría, los constituyentes se vuelven insolubles, pueden separarse para formar dos o más tipos diferentes de cristales, creando una microestructura heterogénea de diferentes fases, algunas con más de un constituyente que del otro. Sin embargo, en otras aleaciones, los elementos insolubles pueden no separarse hasta después de que ocurra la cristalización. Si se enfrían muy rápidamente, primero cristalizan como una fase homogénea, pero están sobresaturados con los constituyentes secundarios. A medida que pasa el tiempo, los átomos de estas aleaciones sobresaturadas pueden separarse de la red cristalina, volviéndose más estables y formando una segunda fase que sirve para reforzar los cristales internamente.

Algunas aleaciones, como el electro, una aleación de plata y oro, se producen de forma natural. Los meteoritos a veces están hechos de aleaciones naturales de hierro y níquel , pero no son nativos de la Tierra. Una de las primeras aleaciones hechas por humanos fue el bronce , que es una mezcla de los metales estaño y cobre . El bronce era una aleación extremadamente útil para los antiguos, porque es mucho más fuerte y más duro que cualquiera de sus componentes. El acero era otra aleación común. Sin embargo, en la antigüedad, solo se podía crear como un subproducto accidental del calentamiento del mineral de hierro en incendios ( fundición ) durante la fabricación de hierro. Otras aleaciones antiguas incluyen peltre , latón y arrabio . En la era moderna, el acero se puede crear de muchas formas. El acero al carbono se puede fabricar variando solo el contenido de carbono, produciendo aleaciones blandas como acero dulce o aleaciones duras como acero para muelles . Los aceros aleados se pueden fabricar agregando otros elementos, como cromo , molibdeno , vanadio o níquel , lo que da como resultado aleaciones como el acero de alta velocidad o el acero para herramientas . Por lo general, se alean pequeñas cantidades de manganeso con la mayoría de los aceros modernos debido a su capacidad para eliminar impurezas no deseadas, como fósforo , azufre y oxígeno , que pueden tener efectos perjudiciales sobre la aleación. Sin embargo, la mayoría de las aleaciones no se crearon hasta la década de 1900, como varias aleaciones de aluminio, titanio , níquel y magnesio . Algunas superaleaciones modernas , como incoloy , inconel y hastelloy , pueden constar de una multitud de elementos diferentes.

Terminología

Una válvula de compuerta, hecha de Inconel .

Como sustantivo, el término aleación se usa para describir una mezcla de átomos en la que el componente principal es un metal. Cuando se usa como verbo, el término se refiere al acto de mezclar un metal con otros elementos. El metal primario se llama base , matriz o solvente . Los constituyentes secundarios a menudo se denominan solutos . Si hay una mezcla de solo dos tipos de átomos (sin contar las impurezas), como una aleación de cobre y níquel , entonces se llama aleación binaria. Si hay tres tipos de átomos que forman la mezcla, como hierro, níquel y cromo, entonces se llama aleación ternaria. Una aleación con cuatro constituyentes es una aleación cuaternaria, mientras que una aleación de cinco partes se denomina aleación quinaria. Debido a que el porcentaje de cada constituyente se puede variar, con cualquier mezcla, el rango completo de posibles variaciones se denomina sistema . A este respecto, todas las diversas formas de una aleación que contiene solo dos componentes, como el hierro y el carbono, se denominan sistema binario, mientras que todas las combinaciones de aleaciones posibles con una aleación ternaria, como las aleaciones de hierro, carbono y cromo, se llama sistema ternario .

Una aleación es técnicamente un metal impuro, pero cuando se hace referencia a aleaciones, el término impurezas generalmente denota elementos indeseables. Dichas impurezas se introducen desde los metales base y los elementos de aleación, pero se eliminan durante el procesamiento. Por ejemplo, el azufre es una impureza común en el acero. El azufre se combina fácilmente con el hierro para formar sulfuro de hierro , que es muy frágil y crea puntos débiles en el acero. El litio , el sodio y el calcio son impurezas comunes en las aleaciones de aluminio, que pueden tener efectos adversos sobre la integridad estructural de las piezas fundidas. Por el contrario, los metales puros que simplemente contienen impurezas no deseadas a menudo se denominan "metales impuros" y no suelen denominarse aleaciones. El oxígeno, presente en el aire, se combina fácilmente con la mayoría de los metales para formar óxidos metálicos ; especialmente a temperaturas más altas encontradas durante la aleación. A menudo se tiene mucho cuidado durante el proceso de aleación para eliminar el exceso de impurezas, utilizando fundentes , aditivos químicos u otros métodos de metalurgia extractiva .

En la práctica, algunas aleaciones se utilizan de manera tan predominante con respecto a sus metales base que el nombre del constituyente primario también se utiliza como nombre de la aleación. Por ejemplo, 14 quilates de oro es una aleación de oro con otros elementos. Del mismo modo, la plata utilizada en joyería y el aluminio utilizado como material de construcción estructural también son aleaciones.

El término "aleación" se utiliza a veces en el habla cotidiana como sinónimo de una aleación en particular. Por ejemplo, las llantas de automóvil hechas de una aleación de aluminio se denominan comúnmente simplemente " llantas de aleación ", aunque en realidad los aceros y la mayoría de los otros metales en uso práctico también son aleaciones. El acero es una aleación tan común que muchos elementos fabricados con él, como ruedas , barriles o vigas , se denominan simplemente por el nombre del elemento, asumiendo que está hecho de acero. Cuando se fabrican con otros materiales, normalmente se especifican como tales (es decir, "rueda de bronce", "barril de plástico" o "viga de madera").

Teoría

La aleación de un metal se realiza combinándola con uno o más elementos. El proceso de aleación más común y más antiguo se realiza calentando el metal base más allá de su punto de fusión y luego disolviendo los solutos en el líquido fundido, lo que puede ser posible incluso si el punto de fusión del soluto es mucho mayor que el de la base. Por ejemplo, en su estado líquido, el titanio es un solvente muy fuerte capaz de disolver la mayoría de los metales y elementos. Además, absorbe fácilmente gases como el oxígeno y se quema en presencia de nitrógeno. Esto aumenta la posibilidad de contaminación de cualquier superficie de contacto, por lo que debe fundirse en crisoles de cobre especiales, enfriados por agua y calentados por inducción al vacío . Sin embargo, algunos metales y solutos, como el hierro y el carbono, tienen puntos de fusión muy altos y eran imposibles de fundir para los antiguos. Por lo tanto, la aleación (en particular, la aleación intersticial) también se puede realizar con uno o más constituyentes en estado gaseoso, como los que se encuentran en un alto horno para producir arrabio (líquido-gas), nitruración , carbonitruración u otras formas de endurecimiento por cementación. (sólido-gas), o el proceso de cementación utilizado para fabricar acero blister (sólido-gas). También se puede hacer con uno, más o todos los componentes en estado sólido, como los que se encuentran en los métodos antiguos de soldadura de patrón (sólido-sólido), acero de corte (sólido-sólido) o producción de acero al crisol (sólido-sólido). líquido), mezclando los elementos mediante difusión en estado sólido .

Al agregar otro elemento a un metal, las diferencias en el tamaño de los átomos crean tensiones internas en la red de los cristales metálicos; destaca que muchas veces potencian sus propiedades. Por ejemplo, la combinación de carbono con hierro produce acero , que es más fuerte que el hierro , su elemento principal. La conductividad eléctrica y térmica de las aleaciones suele ser menor que la de los metales puros. Las propiedades físicas, como la densidad , la reactividad , el módulo de Young de una aleación pueden no diferir mucho de las de su elemento base, pero las propiedades de ingeniería como la resistencia a la tracción , la ductilidad y la resistencia al corte pueden ser sustancialmente diferentes de las de los materiales constituyentes. Esto a veces es el resultado de los tamaños de los átomos en la aleación, porque los átomos más grandes ejercen una fuerza de compresión sobre los átomos vecinos y los átomos más pequeños ejercen una fuerza de tracción sobre sus vecinos, lo que ayuda a la aleación a resistir la deformación. A veces, las aleaciones pueden presentar marcadas diferencias de comportamiento incluso cuando están presentes pequeñas cantidades de un elemento. Por ejemplo, las impurezas en las aleaciones ferromagnéticas semiconductoras dan lugar a propiedades diferentes, como predijeron por primera vez White, Hogan, Suhl, Tian Abrie y Nakamura. Algunas aleaciones se fabrican fundiendo y mezclando dos o más metales. El bronce , una aleación de cobre y estaño , fue la primera aleación descubierta durante el período prehistórico que ahora se conoce como la Edad del Bronce . Era más duro que el cobre puro y originalmente se usaba para fabricar herramientas y armas, pero luego fue reemplazado por metales y aleaciones con mejores propiedades. En épocas posteriores, el bronce se ha utilizado para adornos , campanas , estatuas y cojinetes . El latón es una aleación de cobre y zinc .

A diferencia de los metales puros, la mayoría de las aleaciones no tienen un solo punto de fusión , sino un rango de fusión durante el cual el material es una mezcla de fases sólidas y líquidas (un aguanieve). La temperatura a la que comienza la fusión se llama solidus , y la temperatura a la que se completa la fusión se llama liquidus . Para muchas aleaciones, existe una proporción de aleación particular (en algunos casos más de una), denominada mezcla eutéctica o composición peritéctica, que le da a la aleación un punto de fusión único y bajo, y sin transición líquido / sólido.

Aleaciones termotratables

Alótropos de hierro ( hierro alfa y hierro gamma ) que muestran las diferencias en la disposición atómica.
Microfotografías de acero . Foto superior: El acero recocido (enfriado lentamente) forma una microestructura laminar heterogénea llamada perlita , que consta de las fases cementita (clara) y ferrita (oscura). Foto inferior: el acero templado (enfriado rápidamente) forma una fase única llamada martensita , en la que el carbono permanece atrapado dentro de los cristales, creando tensiones internas.

Los elementos de aleación se agregan a un metal base para inducir dureza , tenacidad , ductilidad u otras propiedades deseadas. La mayoría de los metales y aleaciones pueden endurecerse creando defectos en su estructura cristalina. Estos defectos se crean durante la deformación plástica al martillar, doblar, extrudir, etc., y son permanentes a menos que el metal se recristalice . De lo contrario, algunas aleaciones también pueden tener sus propiedades alteradas por tratamiento térmico . Casi todos los metales se pueden ablandar mediante el recocido , que recristaliza la aleación y repara los defectos, pero no tantos pueden endurecerse mediante calentamiento y enfriamiento controlados. Muchas aleaciones de aluminio , cobre , magnesio , titanio y níquel se pueden fortalecer hasta cierto punto mediante algún método de tratamiento térmico, pero pocas responden a esto en el mismo grado que el acero .

El hierro de metal base de la aleación de hierro-carbono conocida como acero, sufre un cambio en la disposición ( alotropía ) de los átomos de su matriz cristalina a una cierta temperatura (generalmente entre 1,500 ° F (820 ° C) y 1,600 ° F ( 870 ° C), dependiendo del contenido de carbono). Esto permite que los átomos de carbono más pequeños entren en los intersticios del cristal de hierro. Cuando ocurre esta difusión , se dice que los átomos de carbono están en solución en el hierro, formando una fase cristalina única, homogénea y particular llamada austenita . Si el acero se enfría lentamente, el carbono puede difundirse fuera del hierro y gradualmente volverá a su alótropo de baja temperatura. Durante el enfriamiento lento, los átomos de carbono ya no serán tan solubles con el hierro y se verán obligados a precipitar fuera de la solución, nucleándose en una forma más concentrada de carburo de hierro (Fe 3 C) en los espacios entre los cristales de hierro puro. El acero se vuelve heterogéneo, ya que está formado por dos fases, la fase de hierro-carbono llamada cementita (o carburo ) y ferrita de hierro puro . Este tratamiento térmico produce un acero bastante blando. Sin embargo, si el acero se enfría rápidamente, los átomos de carbono no tendrán tiempo de difundirse y precipitarse como carburo, sino que quedarán atrapados dentro de los cristales de hierro. Cuando se enfría rápidamente, se produce una transformación sin difusión (martensita) , en la que los átomos de carbono quedan atrapados en una solución. Esto hace que los cristales de hierro se deformen a medida que la estructura cristalina intenta cambiar a su estado de baja temperatura, dejando esos cristales muy duros pero mucho menos dúctiles (más frágiles).

Si bien la alta resistencia del acero se produce cuando se evita la difusión y la precipitación (formando martensita), la mayoría de las aleaciones tratables térmicamente son aleaciones de endurecimiento por precipitación , que dependen de la difusión de los elementos de aleación para lograr su resistencia. Cuando se calientan para formar una solución y luego se enfrían rápidamente, estas aleaciones se vuelven mucho más blandas de lo normal durante la transformación sin difusión, pero luego se endurecen a medida que envejecen. Los solutos en estas aleaciones precipitarán con el tiempo, formando fases intermetálicas , que son difíciles de distinguir del metal base. A diferencia del acero, en el que la solución sólida se separa en diferentes fases cristalinas (carburo y ferrita), las aleaciones de endurecimiento por precipitación forman diferentes fases dentro del mismo cristal. Estas aleaciones intermetálicas parecen homogéneas en estructura cristalina, pero tienden a comportarse de forma heterogénea, volviéndose duras y algo quebradizas.

Aleaciones de sustitución e intersticiales

Diferentes mecanismos atómicos de formación de aleaciones, mostrando metal puro, sustitucional, intersticial y una combinación de los dos.

Cuando un metal fundido se mezcla con otra sustancia, existen dos mecanismos que pueden hacer que se forme una aleación, llamados intercambio de átomos y mecanismo intersticial . El tamaño relativo de cada elemento de la mezcla juega un papel primordial a la hora de determinar qué mecanismo ocurrirá. Cuando los átomos son de tamaño relativamente similar, suele ocurrir el método de intercambio de átomos, en el que algunos de los átomos que componen los cristales metálicos se sustituyen por átomos del otro constituyente. A esto se le llama aleación sustitutiva . Ejemplos de aleaciones de sustitución incluyen bronce y latón , en los que algunos de los átomos de cobre están sustituidos con átomos de estaño o zinc respectivamente.

En el caso del mecanismo intersticial, un átomo suele ser mucho más pequeño que el otro y no puede sustituir con éxito al otro tipo de átomo en los cristales del metal base. En cambio, los átomos más pequeños quedan atrapados en los espacios entre los átomos de la matriz cristalina, llamados intersticios . Esto se conoce como aleación intersticial . El acero es un ejemplo de aleación intersticial, porque los átomos de carbono muy pequeños encajan en los intersticios de la matriz de hierro.

El acero inoxidable es un ejemplo de una combinación de aleaciones intersticiales y de sustitución, porque los átomos de carbono encajan en los intersticios, pero algunos de los átomos de hierro están sustituidos por átomos de níquel y cromo.

Historia y ejemplos

Hierro meteórico

Un meteorito y un hacha de hierro forjado con hierro meteórico .

El uso de aleaciones por parte de los humanos comenzó con el uso de hierro meteórico , una aleación natural de níquel y hierro . Es el componente principal de los meteoritos de hierro . Como no se utilizaron procesos metalúrgicos para separar el hierro del níquel, la aleación se utilizó tal como estaba. El hierro meteórico se puede forjar a partir de un calor rojo para fabricar objetos como herramientas, armas y clavos. En muchas culturas se le dio forma mediante el martilleo en frío para convertirlo en cuchillos y puntas de flecha. A menudo se usaban como yunques. El hierro meteórico era muy raro y valioso, y difícil de trabajar para los antiguos .

Bronce y latón

Hacha de bronce 1100 A.C.
Aldaba de bronce

El hierro se encuentra generalmente como mineral de hierro en la Tierra, a excepción de un depósito de hierro nativo en Groenlandia , que fue utilizado por los inuit . Sin embargo, el cobre nativo se encontró en todo el mundo, junto con la plata , el oro y el platino , que también se utilizaron para fabricar herramientas, joyas y otros objetos desde la época neolítica. El cobre era el más duro de estos metales y el más distribuido. Se convirtió en uno de los metales más importantes para los antiguos. Hace unos 10.000 años, en las tierras altas de Anatolia (Turquía), los humanos aprendieron a fundir metales como el cobre y el estaño a partir de minerales . Alrededor del 2500 a. C., la gente comenzó a alear los dos metales para formar bronce , que era mucho más duro que sus ingredientes. Sin embargo, el estaño era raro y se encontraba principalmente en Gran Bretaña. En el Medio Oriente, la gente comenzó a alear cobre con zinc para formar latón . Las civilizaciones antiguas tuvieron en cuenta la mezcla y las diversas propiedades que producía, como dureza , tenacidad y punto de fusión , en diversas condiciones de temperatura y endurecimiento por trabajo , desarrollando gran parte de la información contenida en los diagramas de fase de las aleaciones modernas . Por ejemplo, las puntas de flecha de la dinastía china Qin (alrededor del 200 a. C.) a menudo se construían con una cabeza de bronce duro, pero una espiga de bronce más blanda, combinando las aleaciones para evitar que se desafilaran y se rompieran durante el uso.

Amalgamas

El mercurio se ha fundido a partir de cinabrio durante miles de años. El mercurio disuelve muchos metales, como el oro, la plata y el estaño, para formar amalgamas (una aleación en forma de pasta blanda o líquida a temperatura ambiente). Las amalgamas se han utilizado desde el año 200 a. C. en China para dorar objetos como armaduras y espejos con metales preciosos. Los antiguos romanos solían utilizar amalgamas de mercurio y estaño para dorar sus armaduras. La amalgama se aplicó como una pasta y luego se calentó hasta que el mercurio se vaporizó, dejando atrás el oro, la plata o el estaño. El mercurio se usaba a menudo en la minería para extraer metales preciosos como el oro y la plata de sus minerales.

Aleaciones de metales preciosos

Electrum , una aleación natural de plata y oro, se usaba a menudo para hacer monedas.

Muchas civilizaciones antiguas aleaban metales con fines puramente estéticos. En el antiguo Egipto y Micenas , el oro a menudo se aleaba con cobre para producir oro rojo o hierro para producir un oro burdeos brillante. El oro se encontraba a menudo aleado con plata u otros metales para producir varios tipos de oro coloreado . Estos metales también se utilizaron para fortalecerse entre sí, con fines más prácticos. El cobre a menudo se agregaba a la plata para hacer plata esterlina , aumentando su resistencia para su uso en platos, cubiertos y otros artículos prácticos. Muy a menudo, los metales preciosos se aleaban con sustancias menos valiosas como medio para engañar a los compradores. Alrededor del 250 a. C., el rey de Siracusa encargó a Arquímedes que buscara una manera de comprobar la pureza del oro de una corona, lo que provocó el famoso grito de la casa de baños "¡Eureka!" tras el descubrimiento del principio de Arquímedes .

Estaño

El término peltre abarca una variedad de aleaciones que consisten principalmente en estaño. Como metal puro, el estaño es demasiado blando para utilizarlo en la mayoría de los casos prácticos. Sin embargo, durante la Edad del Bronce , el estaño era un metal raro en muchas partes de Europa y el Mediterráneo, por lo que a menudo se valoraba más que el oro. Para hacer joyas, cubiertos u otros objetos de estaño, los trabajadores generalmente lo aleaban con otros metales para aumentar la resistencia y la dureza. Estos metales eran típicamente plomo , antimonio , bismuto o cobre. Estos solutos a veces se agregaban individualmente en cantidades variables, o se agregaban juntos, haciendo una amplia variedad de objetos, que iban desde artículos prácticos como platos, herramientas quirúrgicas, candelabros o embudos, hasta artículos decorativos como aretes y pinzas para el cabello.

Los primeros ejemplos de peltre proceden del antiguo Egipto, alrededor del 1450 a. C. El uso del peltre se extendió por toda Europa, desde Francia hasta Noruega y Gran Bretaña (donde se extraía la mayor parte del estaño antiguo) hasta el Cercano Oriente. La aleación también se utilizó en China y el Lejano Oriente, llegando a Japón alrededor del año 800 d.C., donde se utilizó para fabricar objetos como vasijas ceremoniales, botes de té o cálices utilizados en santuarios sintoístas .

Acero y arrabio

Charcos en China, alrededor de 1637. A diferencia de la mayoría de los procesos de aleación, el arrabio líquido se vierte de un alto horno a un recipiente y se agita para eliminar el carbono, que se difunde en el aire formando dióxido de carbono, dejando tras de sí un acero dulce a hierro forjado.

La primera fundición conocida de hierro comenzó en Anatolia , alrededor del 1800 a. C. Llamado el proceso de floración , produjo hierro forjado muy suave pero dúctil . Hacia el 800 a. C., la tecnología de fabricación de hierro se había extendido a Europa y llegó a Japón alrededor del 700 d. C. El arrabio , una aleación muy dura pero quebradiza de hierro y carbono , se estaba produciendo en China ya en el 1200 a. C., pero no llegó a Europa hasta la Edad Media. El arrabio tiene un punto de fusión más bajo que el hierro y se usaba para hacer hierro fundido . Sin embargo, estos metales encontraron poco uso práctico hasta la introducción del acero al crisol alrededor del año 300 a. C. Estos aceros eran de mala calidad, y la introducción de la soldadura por patrón , alrededor del siglo I d.C., buscó equilibrar las propiedades extremas de las aleaciones laminándolas, para crear un metal más resistente. Alrededor del 700 d.C., los japoneses comenzaron a doblar acero y hierro fundido en capas alternas para aumentar la fuerza de sus espadas, utilizando fundentes de arcilla para eliminar la escoria y las impurezas. Este método de herrería japonesa produjo una de las aleaciones de acero más puras del mundo antiguo.

Si bien el uso del hierro comenzó a generalizarse alrededor del 1200 a. C., principalmente debido a las interrupciones en las rutas comerciales del estaño, el metal era mucho más blando que el bronce. Sin embargo, cantidades muy pequeñas de acero , (una aleación de hierro y alrededor del 1% de carbono), siempre fue un subproducto del proceso de floración. La capacidad de modificar la dureza del acero mediante tratamiento térmico se conocía desde el 1100 a. C., y el raro material se valoraba para la fabricación de herramientas y armas. Debido a que los antiguos no podían producir temperaturas lo suficientemente altas como para fundir el hierro por completo, la producción de acero en cantidades decentes no se produjo hasta la introducción del acero blister durante la Edad Media. Este método introdujo carbono calentando hierro forjado en carbón vegetal durante largos períodos de tiempo, pero la absorción de carbono de esta manera es extremadamente lenta, por lo que la penetración no fue muy profunda, por lo que la aleación no fue homogénea. En 1740, Benjamin Huntsman comenzó a fundir acero blister en un crisol para igualar el contenido de carbono, creando el primer proceso para la producción en masa de acero para herramientas . El proceso de Huntsman se utilizó para fabricar acero para herramientas hasta principios del siglo XX.

La introducción del alto horno en Europa en la Edad Media significó que la gente podía producir arrabio en volúmenes mucho más altos que el hierro forjado. Debido a que el arrabio se podía fundir, la gente comenzó a desarrollar procesos para reducir el carbono en el arrabio líquido para crear acero. El charco se había utilizado en China desde el siglo I y se introdujo en Europa durante la década de 1700, donde el arrabio fundido se agitaba mientras se exponía al aire, para eliminar el carbono por oxidación . En 1858, Henry Bessemer desarrolló un proceso de fabricación de acero soplando aire caliente a través de arrabio líquido para reducir el contenido de carbono. El proceso Bessemer condujo a la primera fabricación de acero a gran escala.

Aceros aleados

El acero es una aleación de hierro y carbono, pero el término acero de aleación generalmente solo se refiere a aceros que contienen otros elementos, como vanadio , molibdeno o cobalto, en cantidades suficientes para alterar las propiedades del acero base. Desde la antigüedad, cuando el acero se usaba principalmente para herramientas y armas, los métodos de producción y trabajo del metal eran a menudo secretos muy bien guardados. Incluso mucho después de la Era de la razón , la industria del acero era muy competitiva y los fabricantes hicieron todo lo posible para mantener la confidencialidad de sus procesos, resistiéndose a cualquier intento de analizar científicamente el material por temor a que revelara sus métodos. Por ejemplo, se sabía que la gente de Sheffield , un centro de producción de acero en Inglaterra, prohibía rutinariamente que los visitantes y turistas ingresaran a la ciudad para disuadir el espionaje industrial . Por lo tanto, casi no existía información metalúrgica sobre el acero hasta 1860. Debido a esta falta de comprensión, el acero generalmente no se consideró una aleación hasta las décadas entre 1930 y 1970 (principalmente debido al trabajo de científicos como William Chandler Roberts-Austen , Adolf Martens y Edgar Bain ), por lo que "acero de aleación" se convirtió en el término popular para las aleaciones de acero ternarias y cuaternarias.

Después de que Benjamin Huntsman desarrolló su acero de crisol en 1740, comenzó a experimentar con la adición de elementos como el manganeso (en forma de un arrabio con alto contenido de manganeso llamado spiegeleisen ), que ayudó a eliminar impurezas como el fósforo y el oxígeno; un proceso adoptado por Bessemer y que todavía se utiliza en los aceros modernos (aunque en concentraciones lo suficientemente bajas como para seguir considerándose acero al carbono). Posteriormente, muchas personas comenzaron a experimentar con varias aleaciones de acero sin mucho éxito. Sin embargo, en 1882, Robert Hadfield , pionero en la metalurgia del acero, se interesó y produjo una aleación de acero que contenía alrededor del 12% de manganeso. Llamado mangalloy , exhibió una dureza y dureza extremas, convirtiéndose en el primer acero de aleación comercialmente viable. Posteriormente, creó acero al silicio , lanzando la búsqueda de otras posibles aleaciones de acero.

Robert Forester Mushet descubrió que al agregar tungsteno al acero se podía producir un borde muy duro que resistiría perder su dureza a altas temperaturas. El "acero especial de R. Mushet" (RMS) se convirtió en el primer acero de alta velocidad . El acero de Mushet fue reemplazado rápidamente por acero de carburo de tungsteno , desarrollado por Taylor y White en 1900, en el que duplicaron el contenido de tungsteno y agregaron pequeñas cantidades de cromo y vanadio, produciendo un acero superior para su uso en tornos y herramientas de mecanizado. En 1903 los hermanos Wright utilizaron un acero al cromo-níquel para fabricar el cigüeñal de su motor de avión, mientras que en 1908 Henry Ford comenzó a usar aceros al vanadio para piezas como cigüeñales y válvulas en su Ford Modelo T , debido a su mayor resistencia y resistencia a altas temperaturas. temperaturas. En 1912, Krupp Ironworks en Alemania desarrolló un acero resistente a la oxidación agregando 21% de cromo y 7% de níquel , produciendo el primer acero inoxidable .

Aluminio y otras aleaciones no ferrosas

Las aleaciones no ferrosas no contienen cantidades apreciables de hierro. Las primeras aleaciones, bronce y latón, se usaron durante miles de años, junto con aleaciones de plomo, peltre y otras, pero todas estaban hechas de metales que eran bastante no reactivos y podían fundirse sobre llamas abiertas. En el siglo XVIII, Antoine Lavoisier ayudó a establecer la teoría de la combustión del oxígeno , desplazando la desaparecida teoría del flogisto que había gobernado desde finales de la Edad Media. La teoría del oxígeno ayudó a explicar correctamente el fenómeno de cosas como la oxidación de los metales (es decir, el óxido) y cómo los minerales rocosos se transforman en metales cuando se calientan. Lavoisier predijo que muchas de las tierras, sales y álcalis (por ejemplo, en el alumbre , una sal utilizada desde la antigüedad) contenían bases metálicas que eran demasiado reactivas al oxígeno para fundirse con los métodos habituales. Su trabajo finalmente condujo a la tabla periódica de elementos , que ayudó a confirmar la existencia de estos "metales faltantes".

Debido a su alta reactividad, la mayoría de los metales no se descubrieron hasta el siglo XIX. Humphry Davy propuso un método para extraer aluminio de la bauxita en 1807, utilizando un arco eléctrico . Aunque sus intentos fueron infructuosos, en 1855 llegaron al mercado las primeras ventas de aluminio puro. Sin embargo, como la metalurgia extractiva estaba todavía en su infancia, la mayoría de los procesos de extracción de aluminio producían aleaciones no deseadas contaminadas con otros elementos que se encuentran en el mineral; el más abundante fue el cobre. Estas aleaciones de aluminio-cobre (en ese momento denominadas "bronce de aluminio") precedieron al aluminio puro, ofreciendo mayor resistencia y dureza sobre el metal puro y blando y, en un grado leve, se encontró que eran tratables térmicamente. Sin embargo, debido a su suavidad y templabilidad limitada, estas aleaciones encontraron poco uso práctico y fueron más una novedad, hasta que los hermanos Wright usaron una aleación de aluminio para construir el primer motor de avión en 1903. Durante el tiempo entre 1865 y 1910, los procesos para extrayendo muchos otros metales, como cromo, vanadio, tungsteno, iridio , cobalto y molibdeno , y se desarrollaron varias aleaciones.

Antes de 1910, la investigación consistía principalmente en personas privadas que retocaban en sus propios laboratorios. Sin embargo, a medida que las industrias aeronáutica y automotriz comenzaron a crecer, la investigación en aleaciones se convirtió en un esfuerzo industrial en los años posteriores a 1910, ya que se desarrollaron nuevas aleaciones de magnesio para pistones y ruedas en automóviles, y pot metal para palancas y perillas, y aleaciones de aluminio desarrolladas para se pusieron en uso fuselajes y revestimientos de aviones .

Aleaciones de endurecimiento por precipitación

En 1906, Alfred Wilm descubrió las aleaciones de endurecimiento por precipitación . Precipitación aleaciones de endurecimiento, tales como ciertas aleaciones de aluminio , titanio y cobre, son aleaciones tratables térmicamente que ablandan cuando se inactivó (enfriado rápidamente) y, a continuación endurecerse con el tiempo. Wilm había estado buscando una forma de endurecer las aleaciones de aluminio para su uso en los casquillos de cartuchos de ametralladoras. Sabiendo que las aleaciones de aluminio y cobre eran tratables térmicamente hasta cierto punto, Wilm intentó apagar una aleación ternaria de aluminio, cobre y la adición de magnesio , pero inicialmente se decepcionó con los resultados. Sin embargo, cuando Wilm volvió a probarlo al día siguiente, descubrió que la aleación aumentaba en dureza cuando se dejaba envejecer a temperatura ambiente, y excedía con creces sus expectativas. Aunque no se proporcionó una explicación para el fenómeno hasta 1919, el duraluminio fue una de las primeras aleaciones de "endurecimiento por envejecimiento" utilizadas, convirtiéndose en el material de construcción principal para los primeros Zeppelins , y pronto fue seguido por muchos otros. Debido a que a menudo exhiben una combinación de alta resistencia y bajo peso, estas aleaciones se volvieron ampliamente utilizadas en muchas formas de industria, incluida la construcción de aviones modernos .

Ver también

Referencias

Bibliografía

  • Buchwald, Vagn Fabritius (2005). Hierro y acero en la antigüedad . Det Kongelige Danske Videnskabernes Selskab. ISBN 978-87-7304-308-0.

enlaces externos