metalurgica general

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CAPÍTULO 1: ¿QUE ES LA METALURGIA? ¡La Metalurgia es una Ciencia Nueva! ¿Quien lo habría creído unos años atrás? Desde siempre la Metalurgia había sido considerada como una simple técnica peligrosa y sucia, indigna de los intelectuales y de las refinadas elegancias. Sin embargo, Vulcano, tuerto,cojo, deforme y repulsivo, era el esposo de Venus; los griegos rendían un gran homenaje al dios artesano del fuego y del metal. La época moderna ha puesto a la Metalurgia en el sitial que le corresponde entre las demás ciencias. Hoy en día Vulcano vestiría bata blanca.* La Metalurgia es el Arte y la Ciencia de producir metales y aleaciones con formas y propiedades adecuadas para el uso. La mayoría de la gente la conoce sólo como un arte antiguo y misterioso. Es cierto que tuvo su importancia en la historia antigua, sacándonos de la edad de piedra hacia la edad del bronce y luego a la edad del hierro. La conversión, aparentemente milagrosa, de tierras opacas a metales brillantes era la esencia del misterio alquímico; no había ciencia de los metales para racionalizar e iluminar el mundo medieval de la fórmula secreta para templar los metales y combinar las aleaciones. Algo de este aire de misterio aún cubre la Metalurgia hoy en día. Ninguna nave espacial en ciencia ficción es respetable sin su propio secreto "Metal Maravilloso". Este misterio puede ser un legado del pasado, pero también es un reconocimiento inconsciente de los muchos logros del metalurgista moderno en la producción de nuevos metales y aleaciones para turbinas a propulsión a chorro, reactores nucleares, circuitos electrónicos y otras partes de avanzada de Ingeniería. Estos éxitos no son productos de una vieja magia negra, sino que la aplicación lógica de principios científicos. La Metalurgia es ahora una ciencia aplicada, disciplina basada en un entendimiento claro de la estructura y propiedades de metales y

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CAPTULO 1: QUE ES LA METALURGIA? La Metalurgia es una Ciencia Nueva! Quien lo habra credo unos aos atrs? Desde siempre la Metalurgia haba sido considerada como una simple tcnica peligrosa y sucia, indigna de los intelectuales y de las refinadas elegancias. Sin embargo, Vulcano, tuerto,cojo, deforme y repulsivo, era el esposo de Venus; los griegos rendan un gran homenaje al dios artesano del fuego y del metal. La poca moderna ha puesto a la Metalurgia en el sitial que le corresponde entre las dems ciencias. Hoy en da Vulcano vestira bata blanca.* La Metalurgia es el Arte y la Ciencia de producir metales y aleaciones con formas y propiedades adecuadas para el uso. La mayora de la gente la conoce slo como un arte antiguo y misterioso. Es cierto que tuvo su importancia en la historia antigua, sacndonos de la edad de piedra hacia la edad del bronce y luego a la edad del hierro. La conversin, aparentemente milagrosa, de tierras opacas a metales brillantes era la esencia del misterio alqumico; no haba ciencia de los metales para racionalizar e iluminar el mundo medieval de la frmula secreta para templar los metales y combinar las aleaciones. Algo de este aire de misterio an cubre la Metalurgia hoy en da. Ninguna nave espacial en ciencia ficcin es respetable sin su propio secreto "Metal Maravilloso". Este misterio puede ser un legado del pasado, pero tambin es un reconocimiento inconsciente de los muchos logros del metalurgista moderno en la produccin de nuevos metales y aleaciones para turbinas a propulsin a chorro, reactores nucleares, circuitos electrnicos y otras partes de avanzada de Ingeniera. Estos xitos no son productos de una vieja magia negra, sino que la aplicacin lgica de principios cientficos. La Metalurgia es ahora una ciencia aplicada, disciplina basada en un entendimiento claro de la estructura y propiedades de metales y aleaciones. El misterio de los modernos "Metales Mticos", es consecuencia del simple hecho que esta ciencia es demasiado nueva como para haberse filtrado hacia los niveles ms elementales de la educacin cientfica. 1.2 METALURGIA QUMICA La parte ms conocida de esta materia es la Metalurgia Qumica. Ella trata de todas las propiedades qumicas de los metales, incluyendo la unificacin de los diferentes metales entre s, para formar aleaciones, pero una parte muy grande de ella concierne a las reacciones oxidacin-reduccin de metales por dos razones prcticas. Primero, la mayora de los metales en la naturaleza se encuentran como xidos, sulfuros, cloruros, carbonatos, etc., y el paso crtico en convertir estos minerales en metales, i.e. en Metalurgia Extractiva es un proceso de reduccin qumica. Las reacciones qumicas bsicas del caso son a menudo simples; el desafo cientfico en esta parte de la materia es lograr que estas reacciones se produzcan econmicamente en escala masiva. Segundo, cuando el pedazo de metal terminado va a ser puesto en servicio y es expuesto al medio ambiente, estas mismas reacciones qumicas tienden a ocurrir espontneamente a la inversa. El metal se invierte del estado metlico al estado oxidado, en otras palabras, se oxida o corroe. La labor principal del Metalurgista Qumico es as llevar los metales a su estado metlico y luego mantenerlos ah. Los orgenes de la Metalurgia Extractiva se remontan hacia la pre-historia. Los primeros descubrimientos deben haberse hecho accidentalmente en los fuegos de campamentos y fogones donde piedras de minerales metlicos fcilmente reducibles pudieron ser convertidos a metal por el calor y las llamas reductoras. El cobre, plomo y estao estaban entre los primeros metales por esos procesos de fusin, ms de 5.000 aos atrs. No mucho despus se hizo la aleacin bronce, usualmente 10 partes de cobre a una de estao, por fusin de una mezcla de minerales de ambos metales y fue muy preciada por su gran dureza y porque cuando se licuaba poda ser fundida fcilmente en formas

complicadas por solidificacin en cavidades pre-formadas en arcilla o moldes de arena. Los primeros latones tambin fueron desarrollados por fusin de mezclas de minerales de cobre y zinc. El mtodo moderno de hacer aleaciones se desarroll posteriormente. Los minerales de fierro tambin son fcilmente reducidos pero el alto punto de fusin de este metal no permiti producirlo en forma lquida. En vez de esto se produjo una mezcla pastosa, porosa de hierro-esponja mezclado con escoria, sta se compactaba mientras estaba caliente y blanda, mediante golpes o forjado con martillo, haciendo algo as como hierro forjado. La necesidad de obtener ms altas temperaturas para lograr una mayor produccin condujo de la evolucin del fogn hacia el alto horno, con un chifln de aire dirigido hacia la zona caliente, encima del fogn y sobre el cual hay una especie de chimenea cerrada, por la cual desciende el mineral y el combustible carbn vegetal. Un gran avance ocurri en el siglo XIX. Se alcanzaron temperaturas suficientemente altas como para producir hierro lquido. El alto horno pudo entonces ser operado en forma continua, siendo "sangrado" peridicamente para dejar escurrir la cantidad de hierro lquido que se haba juntado sobre el piso del horno, esto aument enormemente la produccin. El arrabio lquido (pig iron) producido de este modo contena aproximadamente 4% en peso de carbono disuelto, que provena del combustible del horno, este carbono disminuye enormemente el punto de fusin del hierro y permite que el metal sea fcilmente vuelto a licuar y colado en moldes. Este hierro fundido, sin embargo, era muy frgil, debido al carbono, que forma lminas de grafito y un carburo de fierro, y otras impurezas, y as no puede ser usado para lo mismo que el hierro esponja forjado. El problema de convertir arrabio a una forma dctil por eliminacin del carbono fue resuelto por CORT en el siglo XVIII con el "Proceso de Pudelado" para hacer hierro forjado. Estas dos formas de hierro, forjado y fundido, fueron los materiales ferrosos de construccin por excelencia hasta fines del siglo XIX. El delicado control del carbono necesario para producir "Hierro Dulce" (aprox. 0,25% de carbono) estaba ms all de los alcances de la Metalurgia de aquellos das. Pero, tambin se haca un tipo de "acero de herramientas" para espadas y utensilios de corte, que contena alrededor de 1% de carbono y que poda ser endurecido por "templado", enfrindolo bruscamente en agua despus de calentado al rojo, y era hecho en aquellos tiempos por el proceso de "cementacin" en el cual el hierro esponja forjado se calentaba en carbn vegetal, en 1740, Huntsmsn hizo acero de herramientas fundiendo fierros de diferente contenido de carbono en un crisol, lo que fund la industria de cuchillera de Sheffield. Pero el descubrimiento del acero barato de bajo carbono que puede hacerse en gran escala para propsitos de construccin, no lleg hasta mediados del siglo XIX, cuando Bessemer invent el proceso de convertidor. A esto sigui en un par de aos el proceso de fabricacin de acero Siemens-Martin que permita fabricar aceros a partir de chatarra, as se haba iniciado la era moderna del acero. La electricidad juega un papel importante en muchos procesos modernos de extraccin. El paso decisivo fue el proceso Hall-Hroult para la produccin comercial de aluminio, anunciado en 1886. Muchos otros metales tales como magnesio, sodio y calcio, tambin son ahora usados para producir los metales "modernos" tales como titanio, zirconio, uranio y niobio. La ciencia de la Metalurgia Extractiva se desarrolla rpidamente en los aos recientes, con la aplicacin de la termodinmica y la teora de cintica de reaccin a sus problemas. La termodinmica de las reacciones metalrgicas est ahora bien establecida, pero hay an muchas oportunidades para ms avances, tanto cientficos como tecnolgicos, en el estudio y control de la cintica de reaccin. Muchos de los procesos ms nuevos de extraccin tales como el proceso de fabricacin de acero al oxgeno, tostacin flash, refinacin spray y el proceso de alto horno del zinc, dependen crticamente de la cintica de reaccin.

1.3. METALURGIA MECNICA La Metalurgia es una rama de una materia ms amplia, conocida como "Ciencia de los Materiales e Ingeniera", que se preocupa de todos los materiales como ser metales, cermica, vidrios, plsticos orgnicos y polmeros, madera y piedra. La razn porque la Metalurgia se destaca por s sola como una materia tan amplia y de contenido autosuficiente es, obviamente, debido a la importancia extraordinaria de los metales como materiales de construccin. Nuestra sociedad como la conocemos seria totalmente imposible sin metales. La produccin de metales y bienes metlicos representa ms o menos un quinto de la produccin bruta nacional en un pas industrial moderno. Los metales deben su importancia a sus propiedades mecnicas nicas, la combinacin de alta resistencia con posibilidad de cambiar su forma plsticamente (ductibilidad y maleabilidad). Esta plasticidad permite conformarlos, por ejemplo, a barras, latas de conservas, carrocera de automviles, etc., por procesos de elaboracin plstica de materiales tales como prensado, embutidos, laminado y forja. An ms importante, esta misma plasticidad le da a los metales resistentes la extraordinaria tenacidad que es la habilidad para resistir todos los golpes y choques del largo y duro servicio sin que se quiebren o desmoronen. Metalurgia Mecnica trata de todos estos aspectos, en particular con la elaboracin plstica de metales, el ensayo de propiedades mecnicas, las relaciones entre estas propiedades y el diseo de Ingeniera, las relaciones de materiales y el comportamiento de metales en servicio. Es la parte ms antigua de la Metalurgia. Los primeros metales conocidos, cobre, plata, oro se encontraron en forma nativa, como pepitas metlicas. Los meteoritos fueron una fuente de aleaciones hierro-nquel. Todos estos metales encontrados en forma natural son maleables y desde los primeros tiempos fueron conformados a ornamentos, herramientas y armas por martillado. La forja de metales se estableci ampliamente una vez que la Metalurgia Extractiva empez a proveer cobre, bronce, hierro esponja y otros metales en mayor cantidad. Los romanos hicieron uso extenso de lminas y caeras de plomo en los sistemas de suministro de agua. El acuado marcado de un relieve en una superficie metlica con un punzn y un dado, fue desarrollado tempranamente. Las ventajas de la elaboracin plsticas de metales a varias temperaturas tambin fue reconocido, el trabajo en fro, debido a que aument la dureza y resistencia de los metales tales como el cobre y el hierro; trabajo en caliente, particularmente del hierro esponja, debido a que los metales resultaban ser mucho ms blandos y maleables a altas temperaturas y tambin porque podran ser unidos por soldadura a presin al ser martillados uno sobre el otro en caliente. El trabajo mecnico de metales permaneci por varios siglos en gran parte, como una industria artesanal, tipificada por la forja del herrero. La necesidad por partes forjadas ms grandes y el uso de la potencia del vapor condujo al martinete y a la prensa de forja. Un desarrollo de importancia fue el laminador, cuyo uso se extendi en el siglo XVIII. Otros procesos, tales como trefilacin, maquinado, y extrusin, tambin se desarrollaron y muchos procesos nuevos, incluyendo la forja en fro de acero usando lubricantes a alta presin y el conformado explosivo en el cual el metal es proyectado contra la matriz por la fuerza de una explosin. El conformado hidrosttico en el cual se trabaja mientras est sometido a una gran presin hidrosttica para evitar fractura, parece abrir una fase totalmente nueva en Metalurgia Mecnica permitiendo el trabajo de metales y aleaciones ms frgiles. La ciencia de la Metalurgia Mecnica consiste de tres partes principales y relacionadas. Primero, las propiedades mecnicas bsicas tienen que ser explicadas desde una teora atmica de metales, anlogas a la teora cintica de los gases. Aqu se le une la Metalurgia Mecnica con la Metalurgia Fsica. Luego, partiendo de estas propiedades bsicas, elcomportamiento de los metales tiene que ser entendido y controlado. El ataque de esteproblema ha dado lugar a una nueva rama de la mecnica aplicada, la teora de

laelasticidad. Tercero, nuevamente en trminos de propiedades bsicas, el comportamientomecnico de los metales en el servicio tiene que ser entendido y mejorado para evitar fallas, debido a deformacin plstica, fractura frgil, fatiga, etc., y proveer una base racional para el diseo de Ingeniera y el eficiente y seguro uso de los materiales. Este es ahora un campo de mucha actividad. METALURGIA FSICA Pocas cosas de la naturaleza parecen ms inanimadas que un pedazo de metal. El observador solo ve su propio reflejo en la superficie brillante y quieta y nada del mundo interno. Este mundo interno, sin embargo, es un lugar de actividad incesante. Los electrones disparan de un lado al otro a inmensa velocidad. Los tomos mismos tambin se mueven e intercambian lugares, an cuando el metal est completamente slido. Los cambios de temperatura pueden hacer que los tomos se reubiquen de improviso, tomando una forma radicalmente diferente de organizacin. En un acero templado esto puede ocurrir en un par de microsegundos, an a temperaturas muy por debajo de la ambiente. Deformacin plstica ocurre por el paso de defectos cristalinos, llamados dislocaciones, que se mueven a alta velocidad a travs del metal y ocasionan deslizamientos visibles entre masas enormes de tomos. El trfico de dislocaciones puede llegar a ser muy denso. Se forman inmensos tacos de trfico, que hacen que las dislocaciones no puedan moverse y el metal se endurece. Cuando este metal "endurecido por trabajo" es calentado (recocido) se libera de estas dislocaciones en una ola de reorganizacin del ordenamiento atmico (recristalizacin). Ordenamientos atmicos completamente nuevos pueden ser producidos por aleacin y estos a su vez pueden ser cambiados por tratamientos trmicos. Por ejemplo, cuando una aleacin de aluminio se mantiene a temperatura ambiente, despus de templada, sus tomos de aleacin se mueven a travs del slido para agruparse en pequeos aglomerados, como gotitas de agua en la neblina, estos aglomerados endurecen el metal para dificultar el paso de las dislocaciones (endurecimiento por precipitacin). El estudio de todos estos efectos pertenece a la Metalurgia Fsica, la parte que trata de la estructura de los metales y aleaciones, con el objeto de disear y producir aquellas estructuras que dan las mejores propiedades. La Metalurgia Fsica tiene conexiones obvias con Metalurgia Mecnica, pero tambin tiene conexiones estrechas con Metalurgia Qumica, particularmente en conexin con la fundicin de metales, la preparacin de aleaciones, corrosin y los muchos efectos de las impurezas sobre las estructuras y propiedades de metales y aleaciones. Es la parte ms nueva de Metalurgia, aunque los procesos de templado y revenido, endurecimiento por trabajo, recocido y aleacin, ya se descubrieron y usaron de un modo completamente emprico, en los tiempos antiguos. Intentos llenos de imaginacin para construir una teora de metales, incluyendo las ideas esenciales que los slidos pueden ser cristalinos, o sea, que tienen sus tomos tomando una configuracin ordenada, fueron hechas en el siglo XVII y XVIII. Sin embargo, no haba modo de probar estas ideas experimentalmente en aquellos tiempos y la mayora de los cientficos preferan trabajar en campos tales como mecnica, astronoma, electricidad y qumica donde el progreso era ms fcil. As se desarroll la ciencia en la forma clsica como la conocemos por la historia. Un descubrimiento trascendental para la Metalurgia Fsica, fue desarrollado por Sorby, en la segunda parte del siglo XIX, la tcnica metalogrfica para la observacin de estructuras de metales y aleaciones con un microscopio ptico de reflexin. La gran barrera del brillo superficial fue penetrada finalmente, por un proceso de pulido y ataque qumico para revelar la estructura interna. Se vio entonces la estructura granular de los metales, un ensamble de cristales diminutos entrelazados. Se observaron grandes cambios en la microestructura debido a aleacin, trabajo y tratamiento trmico. Las ideas acerca de la

naturaleza de estos cambios se agudizaron rpidamente una vez que fue posible interpretar estas observaciones. Aproximadamente en el mismo tiempo, la teora de la termodinmica fue clarificando lo que suceda cuando se mezclan diferentes sustancias y esto permiti estudiar las aleaciones cientficamente. La combinacin de la investigacin sistemtica en aleaciones mediante microscopia ptica abrieron muchas de las puertas hacia la Metalurgia Fsica. Los efectos del carbono en el acero pueden ser entendidos en buena medida, tanto como los procesos de endurecimiento por temple y revenido, las estructuras y propiedades de las primeras aleaciones, tales como bronce y latones, pudieron ser racionalizadas, y por fin se tena un mtodo para el desarrollo sistemtico de aleaciones diseadas deliberadamente para tener ciertas propiedades. El microscopio metalrgico an es el mismo instrumento ms til de uso general con que cuenta el metalurgista fsico. No se pudo por cierto, dar prueba directa del ordenamiento atmico cristalino en los metales, aunque dej poco lugar para dudas. La prueba directa tuvo que aguardar hasta el descubrimiento del mtodo de Difraccin de Rayos X, cuya aplicacin introdujo la segunda fase de importancia de Metalurgia Fsica en 1920. Tambin se prepararon monocristales de metales, en ese tiempo, y sus propiedades mecnicas explicaron buena parte de los procesos de deformacin plstica. Los prximos grandes avances fueron tericos. A principios de 1930 la teora cuntica de electrones y tomos haba llegado a ser suficientemente poderosa como para prever una teora real del estado metlico, que poda explicar en que consiste realmente un metal y como conduce la electricidad. Las fuerzas que mantiene juntos a los tomos pudieron entonces ser entendidas y se inici la teora de las aleaciones. Se vio que la corrosin es (y demostrada experimentalmente) tanto un proceso elctrico como qumico y la movilidad de tomos en metales fue explicada en trmino de ciertos defectos bien definidos en la estructura cristalina (dislocaciones y vacancias). La metalurgia terica fue forzada an ms lejos en los aos inmediatamente despus de la segunda guerra mundial por la necesidad de desarrollar metales y aleaciones que pudieran resistir altas temperaturas para turbinas a reaccin, o aquellas que pudieran resistir radiacin nuclear daina en reactores nucleares y la demanda de materiales especiales a usarse en la industria elctrica. An ms recientemente, los experimentos han vuelto a tomar delantera debido al desarrollo del extremadamente poderoso microscopio electrnico y tcnicas de microscopia de campo inico, que permite observar la estructura de los metales a escala atmica. El estudio de dislocaciones y estructuras atmicas en metales ha llegado a ser principalmente una ciencia experimental. Los innumerables avances que han ocurrido en el campo de la ciencia bsica de los metales en los aos recientes han dejado el considerable problema de dirigirlos todos y convertirlos en un avance correspondiente en las ciencias aplicadas. No obstante, ahora podemos ver claramente como disear las microestructuras de metales y aleaciones de modo de desarrollar las propiedades bsicas para los mejores efectos. Algunas de las nuevas micro-estructuras propuestas son muy diferentes de las tradicionales y hay un gran desafo tecnolgico para llevarlos a cabo en gran escala comercialmente. En cuanto a la ciencia bsica hay an muchas reas en las que quedan problemas fundamentales que tienen particularmente que ver con la teora de aleaciones, con metales lquidos y con las propiedades mecnicas ms complejas tales como fatiga de metales. La dificultad de este problema no debe ser subestimada. Las cualidades que ayudan a ser un buen investigador, habilidad de fijar la atencin en un slo problema cientfico con exclusin de todo lo otro y de suspender todo juicio hasta que los hechos estn bien claros, no son muy recomendables para el miembro de un grupo de diseo o de produccin donde la amplitud de conocimientos, rpida respuesta y buen juicio intuitivo son indispensables. Muy pocas personas sern capaces de contribuir completamente en ambos lados de la materia, el cientfico y prctico, por lo menos no en la misma etapa de su carrera. An ms, las cualidades que hacen un buen experimento, seleccin de

condiciones especiales y materiales experimentales, a desplegar los efectos crticos tan claramente y simplemente como sea posible, control riguroso de todas las variables no deseables a menudo conducen al experimento lejos del problema industrial que se pensaba analizar. Por esta razn, el investigador metalrgico no puede resistir de llegar a separarse de sus colegas ms prcticos. Pero l nunca debe dejar de responder al desafo de hacer que su trabajo, sea lo ms directamente relevante al de ellos, sin sacrificar los principios de la buena ciencia. El investigador metalurgista debe buscar y extractar sus problemas precisamente del corazn de la misma industria, pero deben ser cientficamente buenos problemas. La habilidad de hacer esto, y el placer de hacerlo es a veces bastante remoto al corazn de la investigacin cientfica pura, y el inculcar esta habilidad y actitud es quizs la principal justificacin para la enseanza de la metalurgia como una disciplina acadmica separada. El metalurgista industrial tambin tiene sus desafos. El debe permanecer atento a la ciencia y an debe resolver sus urgentes problemas por la ruta ms rpida, que a veces puede ser en gran medida emprico porque no hay tiempo para parar y llenar la base cientfica que falta. Juicio intuitivo, una habilidad de concebir y ensayar soluciones rpidas adhoc y seguir sin mayores preocupaciones, si fueron exitosos, son esenciales aqu. Sin embargo, una buena base de ciencia analtica es igualmente importante para disminuir la seleccin de posibles rutas empricas, para coordinar todos los innumerables pedazos de informacin hasta obtener un cuadro coherente y para asignar valores y poner nfasis sobre las varias partes del programa, para demostrar donde el camino puede ser recorrido rpidamente y donde se debe hilar ms fino. Este tipo de Metalurgia tambin es ciencia aplicada y requiere gran poder analtico. En los captulos que siguen, trataremos de desarrollar una visin unificada de ambos aspectos lo cientfico y lo industrial. An en un curso introductorio hay una gran cantidad de ciencia y an un gran nmero de datos que aprender. La ciencia no puede tomar vuelo sin los hechos o datos pero un largo recital preliminar de los datos de la Metalurgia Industrial sin la ciencia, solo es estupificador. Para sobrellevar este problema trabajaremos a travs de la ciencia, partiendo por el ncleo atmico y llegando gradualmente a las estructuras ms complejas de los metales industriales, para proveer una lnea continua al tema entre manos, pero por el camino haremos hincapi en todos los puntos adecuados para mostrar como esta ciencia est relacionada a las formas caractersticas de la Metalurgia Industrial. Por el camino de cruce de la ida y vuelta entre la ciencia de los metales y lo prctico industrial. Trataremos de visualizar la Metalurgia como una ciencia aplicada que conecta estos dos lados. CAPTULO 2: LA METALURGIA O LA CIENCIA Y EL ARTE DE LOS METALES 2.1. INTRODUCCIN La Metalurgia es la ciencia y el arte de extraer metales a partir de sus minerales, refinndolos y preparndolos para su uso. La obtencin de los metales se realiza a travs de una secuencia de pasos o etapas que pueden ser de carcter fsico o qumico. Los metales se encuentran en la naturaleza en forma de minerales o mezclas de minerales, los cuales contienen usualmente grandes proporciones de minerales de desecho junto a los minerales de los metales valiosos. Una vez extrada la mezcla mineral de la mina, el primer paso a seguir es, en general, extraer fsicamente los minerales valiosos separndolos en gran parte de la ganga. Esto se realiza triturando y moliendo los minerales para separarlos entre s y luego concentrando aquellos minerales valiosos por procedimientos tales como la concentracin por gravedad, flotacin por espuma o separacin magntica, en los cuales se aprovechan las diferencias de las propiedades fsicas de los diferentes minerales. Estas operaciones se caracterizan por no modificar las caractersticas qumicas de los minerales que han sido separados. Los siguientes pasos en la extraccin de los metales a partir de los concentrados y su refinacin posterior son

necesariamente de naturaleza qumica, el metal valioso debe ser separado qumicamente del compuesto que lo contiene; para esto se requiere la ejecucin de una amplia variedad de reacciones qumicas en gran escala. La mayor parte de estos procesos qumicos se realizan en hornos de alta temperatura, aunque en algunos casos se utiliza electricidad para producir los cambios qumicos tanto a bajas como a altas temperaturas. En general, la obtencin de un metal en particular involucra una serie de tales pasos qumicos. Una vez que el metal ha sido extrado y refinado, debe sufrir un tratamiento posterior para adaptarlo al uso que le ha sido asignado. Por medio de las adiciones de otros elementos, las deformaciones mecnicas, los tratamientos trmicos, etc. se le entregan al metal las propiedades que determinan su utilidad posterior. Este es a grandes rasgos el panorama de la Metalurgia; es por lo tanto, en primera instancia, un conjunto de actividades humanas reunidas con un fin comn, la obtencin de artculos metlicos. La importancia de unificar estas actividades en una sola cosa objeto de estudio, no es del todo clara y su justificacin es ms bien histrica; sin embargo, cabe tener presente que en la naturaleza existen alrededor de un 80% de elementos que presentan caractersticas metlicas. Si bien el conjunto de operaciones involucradas en la fabricacin de un objeto metlico presenta una unidad evidente, de acuerdo con la secuencia de las etapas necesarias para la obtencin de un producto metlico, no es igualmente evidente la existencia de una unidad cientfica, que conteniendo mtodos o conocimientos bsicos particulares, pueda llamarse Ciencia Metalrgica. Slo en los ltimos aos se ha hecho claridad en el sentido de que al nombre Metalurgia responden dos unidades del conocimiento: la Ingeniera Metalrgica y la Ciencia Metalrgica. Al hablar aqu de la Metalurgia como una ciencia bsica que tenga algn mtodo particular o sus propias leyes independientes del resto, queremos decir que ese conocimiento bsico no est contemplado en general en otras ciencias o es comprendido en trminos diferentes en ellas. La Ingeniera Metalrgica es una de las profesiones ms antiguas del hombre, ha jugado un papel preponderante en el desarrollo de las sociedades humanas llevndolas desde la tenebrosa Edad de Piedra a la Edad de Bronce y posteriormente a la Edad del Hierro; actualmente gran parte del progreso humano se sustenta en el gran desarrollo alcanzado en la elaboracin de los metales. Este es un hecho indiscutible. La Ciencia Metalrgica es relativamente nueva y est en una etapa ms bien primitiva de su desarrollo. A continuacin se establecen ms detalladamente estos conceptos y se muestran las divisiones internas de la Metalurgia as como los nombres usualmente empleados. 2.2. INGENIERA METALRGICA La Ingeniera Metalrgica es el conjunto de operaciones y procesos por medio de los cuales un mineral es reducido a un metal, el cual a su vez es modificado en las formas y con las propiedades requeridas para ser utilizadas por el hombre. La Ingeniera Metalrgica se divide en cuatro grandes reas de acuerdo con la secuencia lgica de los procesos: preparacin de minerales, metalurgia de procesos, procesamiento de metales y metalurgia de aplicacin. Los dos primeros caen en lo que comnmente se denomina Metalurgia Extractiva que abarca hasta la obtencin de los metales, y los dos ltimos en Metalurgia Adaptiva a la cual le competen las modificaciones y el control de las propiedades de los metales y las aleaciones. La siguiente tabla ilustra la divisin de la Ingeniera Metalrgica donde se incluyen los tpicos ms comunes que conforman cada campo. Los nombres que aparecen corresponden a procesos unitarios y operaciones unitarias que son comunes para todos los metales; los metales no se distinguen entre si ms que por sus propiedades y por tal razn no aparecen trminos clsicos como ferroso y no ferroso, estos trminos pueden ser utilizados industrialmente, pero la divisin de la ciencia o la Ingeniera en virtud de tales lneas no es conveniente, como tampoco es conveniente dividirla de acuerdo con el

metal tratado. En esta tabla aparecen las actividades tpicas de un Ingeniero Metalrgico en cada uno de sus campos de especializacin. Esta es una divisin natural basada en la realidad industrial de todos los pases del mundo y no una definicin basada en los conocimientos bsicos. Este es el amplio objetivo que debe tenerse en cuenta en la formacin de un Ingeniero Metalrgico, ya que es el tipo de labores que desarrolla en el desempeo de su profesin. A continuacin se ver con un poco ms de detalle cada campo de la Ingeniera Metalrgica.

METALURGICA EXTRACTIVA 1.PREPARACION DE MINERALES a.Conminuacin b. Concentraccion c. Lixiviacion

2.METALURGICA DE PROCESOS a. Tostacion b. Reduccion c. Refinacion d. Electroretinacion

e. Lingotea

d. Tratamiento de Superficies e. Metalurgia de polvos f. Tratamientos trmicos 4.METALURGICA DE APLICACIN

METALURGICA ADAPTIVA 3.PROCESAMIENTO DE METALES a. Conformado de metales b.Fundicion c.Soldadura 2.4. PREPARACIN DE MINERALES

a. Control de Calidad b. Seleccin y Especificacion c. Diseo de Aleaciones

La Ingeniera Metalrgica comienza con el mineral metlico y las primeras operaciones son las relacionadas con la preparacin de minerales. La mayor parte de las actividades involucradas en este campo se caracterizan por no modificar la estructura qumica de las especies mineralgicas, son "operaciones fsicas" cuyo objetivo es separar una especie de otras. Solamente la lixiviacin, dentro de este campo, involucra una reaccin qumica y por lo tanto cae dentro del grupo de "procesos qumicos". En general, cada elemento metlico se extrae por procedimientos diferentes, sin embargo, todos los procedimientos consisten en pasos que son comunes, es decir, estn formados por un nmero relativamente pequeo de pasos que se combinan en grupos y secuencias definidas. Estos pasos individuales de denominan operaciones unitarias o procesos unitarios, segn el caso; la combinacin de ellos se conoce con el nombre de "flow sheet". La siguiente tabla muestra los principales pasos unitarios involucrados en la preparacin de minerales. Existe una marcada semejanza entre las operaciones unitarias contenidas en el tratamiento de minerales metlicos contenidas en el tratamiento de minerales metlicos y aquellas relacionadas con los minerales no metlico, cermicos y de combustibles slidos, todos ellos relacionados ntimamente con la geologa econmica y la minera. Se ha dicho que este primer segmento de la Ingeniera Metalrgica constituye tambin una parte de un campo ms amplio denominado Ingeniera Mineral. OPERACIONES Y PROCESOS UNITARIOS DE LA PREPARACIN DE MINERALES* Operaciones Unitarias Chancado Molienda Cribado Clasificacin Separacin por Gravedad Jigging Flotacin Separacin Magntica Separacin Electrosttica Agitacin Filtrado Manejo de Materiales Procesos Unitarios

Lixiviacin Precipitacin La fundamentacin cientfica de las operaciones unitarias, involucradas en la preparacin de minerales que configura el rea denominada "Mineralurgia", est basada en tpicos tales como: Cristaloqumica, termodinmica de superficies, Mineraloga, Mecnica de fluidos y otros de aplicaciones no tan generales, pero si importantes para una operacin especfica, tales como Qumica Orgnica, Electricidad y Magnetismo y otras ramas de la fsica. Los fundamentos de los procesos qumicos de la preparacin de minerales, esto es, la lixiviacin y la precipitacin, son similares a los de otros procesos, contenidos en la Metalurgia de procesos y sern consideradas despus. La importancia de la preparacin de minerales en la Ingeniera Metalrgica es obvia, si se piensa, que ella determina, segn su estado de desarrollo, el que un depsito mineral sea explotable o no. La gran parte de nuestro cobre se obtiene a partir de minerales que no tenan ningn valor hace 50 o 60 aos atrs. Esto se debe exclusivamente al desarrollo de la flotacin que convirti rocas sin importancia en fuentes naturales. As, en el futuro, muchos de nuestros metales provendrn de minerales que hoy en da no son convenientes de tratar. Esta es una de las grandes tareas de la Ingeniera Metalrgica. 2.5. METALURGIA DE PROCESOS La Metalurgia de procesos es la sucesin de pasos o procesos por medio de los cuales un mineral impuro se reduce a un metal, refinado, aleado y lingoteado en las formas apropiadas como metal primario dispuesto para un procesamiento posterior. Todos los pasos involucrados en este campo, sin excepcin, se caracterizan por modificar las propiedades qumicas o los estados de agregacin de las especies qumicas que en ellas participan, son por lo tanto procesos qumicos. La Metalurgia de procesos es muy afn con la Ingeniera Qumica con la cual tiene muchas ideas y problemas en comn; aunque la mayor parte de los procesos unitarios son distintos a los de la Ingeniera Qumica los principios bsicos en que se sostienen son muy semejantes. En la prctica es muy comn encontrar a Ingenieros Qumicos que se han especializado en Metalurgia de Procesos y que cubren este campo ocupacional al igual que los Ingenieros Metalrgicos. Esta prctica es discutible ya que para ser un eficiente metalurgista de procesos, no slo es necesario contar con un amplio respaldo en los aspectos bsicos, lo cual si es comn, sino que tambin debe tenerse una gran familiaridad con los sistemas estudiados. Los metales fundidos, las escorias, la electrlisis de sales fundidas, la solidificacin de lingotes, etc., no son conceptos familiares para los Ingenieros Qumicos, quienes se desenvuelven siempre con sistemas a temperaturas mucho menores. Sin embargo, hay que destacar que las diferencias entre ambos campos deben buscarse en los tipos de sistemas estudiados y no en los conocimientos bsicos utilizados. Antiguamente era costumbre ensear la Metalurgia de procesos en trminos del metal estudiado, de ah aparecieron trminos tales como, metalurgia del cobre, metalurgia ferrosa, metalurgia del nquel, etc. actualmente tal prctica es anacrnica, en cambio el estudio se lleva a cabo con el concepto de proceso unitario incorporado por Schuhmann; segn esto, al igual que en la preparacin de minerales, todas las especies minerales sufren una secuencia de procesos comunes para ser convertidos en metales primarios. La siguiente tabla muestra los principales procesos que sufren los minerales y que conforman la Metalurgia de Procesos PROCESOS UNITARIOS DE LA METALURGIA DE PROCESOS Secado Metalotermia Calcinacin Carbotermia

Tostacin Destilacin y Sublimacin Sinterizacin Fusin de Retortas Fusin simple Reduccin gaseosa Fusin en alto horno Refinacin a Fuego Conversin Electrorefinacin Reduccin lquida Electrorecuperacin Combustin Electrlisis de sales fundidas Lingoteado Procesos Hidrometalrgicos Es conveniente aclarar aqu la significacin de ciertos trminos muy utilizados en el lenguaje de la Ingeniera Metalrgica como son los de: Piro, Hidro y Electrometalurgia. Este trmino son generalizados de un conjunto de procesos que no tienen una caracterstica particular, pero que no implican ningn fundamento bsico; as la Pirometalurgia es el conjunto de procesos unitarios de la Metalurgia de procesos que implican altas temperaturas, pero que puede ser en sistemas gas-slido, lquido-lquido, etc. La Hidrometalurgia implica soluciones acuosas y la Electrometalurgia el uso del principio de la electrlisis sea en soluciones acuosas, soluciones metlicas o inicas. Su uso, por lo tanto, es limitado y no debe formar parte en la definicin de la Metalurgia. Los procesos unitarios de la Ingeniera estn, en general, relacionados con reacciones qumicas y cambios de estado; las bases fundamentales con que se apoya son, por cierto, la Termodinmica, la Cintica de reacciones, la Electroqumica y la Qumica Inorgnica, pero aplicada, en ciertos casos, a sistemas muy particulares como son los de sales fundidas, soluciones inicas, soluciones metlicas y en casos menos frecuentes en sistemas acuosos y gaseosos. Es decir, que en general, la Metalurgia de procesos trata con sistemas heterogneos y por lo tanto, se apoya en una gran medida en la ciencia de los Fenmenos de Transporte. La aplicacin de estos principios a la Ingeniera Metalrgica ha permitido mejorar enormemente los procesos introduciendo nuevos mtodos tecnolgicos, desarrollando nuevos sistemas y mejorando sustancialmente la calidad de los productos con ms eficiencia y mayor economa de los procesos. 2.6. PROCESAMIENTO DE METALES Bajo el nombre de procesamiento de metales estn contenidos los procedimientos por medios de los cuales los metales se transforman en objetos tiles. En general, en estos procesos, aunque aqu esta palabra carece del sentido indicado antes, se modifican las propiedades fsicas y mecnicas de los metales y slo raramente sus propiedades qumicas. Una parte de este campo, el conformado de metales junto con el estudio de las propiedades mecnicas de los materiales, lo cual se denomina a veces como Metalurgia Mecnica, ha sido hasta ahora un dominio de la Ingeniera Mecnica; debido al estado de desarrollo de esta rea, los problemas relacionados con las fuerzas aplicadas y las respuestas del sistema como medio continuo. La Ingeniera Metalrgica se preocupa fundamentalmente del comportamiento de los metales bajo diversas solicitaciones desde el punto de vista de la microestructura, solo recientemente el conformado de metales ha alcanzado un estado de desarrollo en el cual es conveniente estudiar estos problemas. El proceso que sigue un metal para ser convertido a la forma y con las propiedades deseadas, depende del metal en cuestin y del objetivo perseguido, sin embargo existe un cierto nmero de pasos nicos a los cuales un metal puede ser sometido. Los ms importantes muestran en la siguiente tabla. PASOS UNITARIOS EN EL PROCESAMIENTO DE METALES Laminacin Temple y Revenido Forja Recocido Trefilacin Normalizado

Extrusin Carburizacin o Cementacin Fusin y Colada Nitruracin Soldadura Compactacin Galvanizado Sinterizacin Zincado Metalurgia de Polvos Los fundamentos cientficos en que se basan los procesamientos de los metales son muchos y muy variados, en ciertas partes son los mismos que en metalurgia de procesos, pero adems existe una ancha gama de materias como son la metalografa, cristalografa, fsica del estado slido, la teora de dislocaciones, difusin en el estado slido, solidificacin, reacciones martensticas, transformaciones de fases, elasticidad, plasticidad, etc. que forman parte de la ciencia bsica en que se apoya toda la Metalurgia Adaptiva. Durante mucho tiempo, la gran mayora de estos procesos fueron relegados por los Ingenieros Metalrgicos a un control puramente emprico. Slo en este ltimo tiempo y en forma parcial se han logrado adelantos al aplicar los conocimientos cientficos a ellos, especialmente en la industria de la fundicin y en los tratamientos trmicos. As, "nosotros hemos visto en aos recientes doblar la resistencia de las fundiciones grises persuadiendo al grafito a formar ndulos en vez de escamas o lminas". 2.7. METALURGIA DE APLICACION El saber elegir el metal justo y colocarlo en el sitio justo con las mejores condiciones de costo y de servicios es la ltima rama de la Ingeniera Metalrgica. La seleccin y especificacin de los metales y de su tratamiento (trmico, superficial, etc.) es generalmente una tarea de grandes proporciones que obliga al Ingeniero a utilizar al mximo de su ingenio y su experiencia. Para realizar esto debe tener en cuenta, la complejidad de la estructura, los diversos tipos de metales, la calidad adecuada, los aspectos econmicos, etc. En este campo, las ciencias mencionadas anteriormente, encuentran mejor su aplicacin prctica, y adems aqu la Metalurgia se sirve de toda la Ingeniera; aqu el Ingeniero Metalrgico esta constantemente trabajando con otros ingenieros, por lo tanto debe conocer su lenguaje, debe comprender los rendimientos del diseo, la fabricacin, inspeccin y el ensamblado. Si ningn metal o material conocido es satisfactorio para la tarea dada, una nueva aleacin o nuevo material debe ser diseado para cumplir el objetivo, un programa de investigacin y desarrollo ser requerido. A medida que se obtengan aleaciones que cumplan con las necesidades, los requisitos aumentan, an mejores aleaciones son requeridas y el proceso debe continuar. Estamos constantemente en medio de tales desarrollos. Rpido progreso se hace en este momento en el desarrollo de metales tiles a altas temperaturas. El diseo de una aleacin nueva para un propsito dado puede ser una tarea muy simple o extremadamente difcil, dependiendo de la disponibilidad de los datos cientficos bsicos. Como muchos requisitos no han podido satisfacerse con aleaciones metlicas se ha buscado y encontrado soluciones con materiales no metlicos como son las cermicas y los polmeros (comnmente conocidos como plstico) o sus combinaciones dando lugar a los materiales compuestos o compsitos, que son el inters de una nueva disciplina, la Ciencia de los Materiales. La Ciencia de los Materiales se nutre de todo el conocimiento metalrgico bsico para aplicarlo a todos los materiales y al enriquecerse con la qumica y fsica del estado slido dando nacimiento as a la Ingeniera de Materiales, la natural expansin de la Metalurgia Fsica.