Materiales Metálicos No Ferrosos: Aleaciones y Diagramas de Fase

Instituto tecnológico José Mario Molina Pasquel y
Henríquez
INGENIERÍA ELECTROMECÁNICA
TECNOLOGIA DE LOS MATERIALES
Articulo científico – Materiales metálicos no ferrosos
Nombre: Ulises Montelongo Tejeda
Fecha: Junio 2018
Profesor: Jiménez López Luis Fernando
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Instituto tecnológico José Mario Molina Pasquel y Henríquez
Articulo científico – Materiales metálicos no ferrosos
Ulises Montelongo Tejeda Ing. Electromecánica
Instituto Tecnológico José Mario Molina Pasquel y Henríquez
Cocula, Jalisco México.
Resumen—“Introducción
metálicos no ferrosos”.
a
los
materiales
Palabras Claves
1. Metal: Se denominan metales a los
elementos químicos caracterizados por ser
buenos conductores del calor y la
electricidad.
I. OBJETIVO
C
onocer los diferentes materiales metálicos no
ferrosos, conocer diagramas de fase y sus
características y estructuras de aleaciones
diferentes.
amplia gama de metales que se pueden alear. El
elemento aleante puede ser no metálico, como: P
(fósforo), C (carbono), Si (silicio), S (azufre), As
(arsénico).
Mayormente
las
aleaciones
son
consideradas mezclas, al no producirse enlaces
estables entre los átomos de los elementos
involucrados.
Excepcionalmente,
algunas
aleaciones generan compuestos químicos.
Las aleaciones más comunes utilizadas en la
industria son:
•
II. ESTRUCTURAS DE LAS ALEACIONES
•
Las sustancias puras (metales, compuestos de tipo
NaCl,...) cristalizan siempre según el mismo tipo de
estructura cristalina. Esta estructura cristalina
puede cambiar con la temperatura o con la presión;
por ejemplo, el hierro puro si se enfría desde una
temperatura superior a1536ºC (punto de fusión del
hierro) y este enfriamiento se hace muy lentamente
a 1536ºC el líquido (hierro fundido) se trasforma en
cristales de hierro puro con estructura cúbica
centrada en el interior; si se continúa el
enfriamiento, a 1398ºC los cristales BCC se
transforman en FCC y si se continua enfriando, a
911ºC el FCC se transforma en BCC nuevamente.
Este fenómeno según el cual por variación de
temperatura puede cambiar la estructura de la
sustancia se conoce como
alotropía
y cada uno de los estados o estructuras cristalinas
se conocen como estados alotrópicos de dicha
sustancia. Este fenómeno se conoce también como
polimorfa.
Las aleaciones están constituidas por elementos
metálicos como Fe (hierro), Al (aluminio), Cu
(cobre), Pb (plomo), ejemplos concretos de una
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•
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•
•
•
•
•
Acero: Es aleación de hierro con una
cantidad de carbono variable entre el
0,008 y el 1,7 % en peso de su
composición, sobrepasando el 1.7 %
(hasta 6.67 %) pasa a ser una fundición.
Acero inoxidable: El acero inoxidable se
define como una aleación de acero con un
mínimo del 10 % al 12 % de cromo
contenido en masa
Alnico: Formada principalmente de
cobalto (5.24 %), aluminio (8-12 %) y
níquel (15-26 %), aunque también puede
contener cobre (6 %), en ocasiones titanio
(1 %) y el resto de hierro.
Alpaca: Es una aleación ternaria
compuesta por zinc (8-45 %), cobre (4570 %) y níquel (8-20 %)
Bronce: Es toda aleación metálica de
cobre y estaño en la que el primero
constituye su base y el segundo aparece en
una proporción del 3 al 20 %.
Nicrom: Es una aleación compuesta de un
80 % de níquel y un 20 % de cromo.
Nitinol: Titanio y níquel.
Oro blanco (electro): Es una aleación de
oro y algún otro metal blanco, como la
plata, paladio, o níquel.
Peltre: Es una aleación compuesta por
estaño, cobre, antimonio y plomo.
III. DIAGRAMA DE FASE TIPO 1. DOS
METALES COMPLETAMENTE SOLUBLES
EN ESTADO SÓLIDO Y LÍQUIDO
la presión el hielo se funde, y también que la fase
sólida tiene menor densidad que la fase líquida.
En termodinámica y ciencia de materiales se
denomina diagrama de fase a la representación
gráfica de las fronteras entre diferentes estados de
la materia de un sistema, en función de variables
elegidas para facilitar el estudio del mismo.
Cuando en una de estas representaciones todas las
fases corresponden a estados de agregación
diferentes se suele denominar diagrama de cambio
de estado.
A. Sustancia pura
Los diagramas de fase más sencillos son los de
presión - temperatura de una sustancia pura, como
puede ser el del agua. En el eje de ordenadas se
coloca la presión y en el de abscisas la temperatura.
Generalmente, para una presión y temperatura
dadas, el cuerpo presenta una única fase excepto en
las siguientes zonas:
•
•
•
•
•
•
Punto triple: En este punto del diagrama
coexisten los estados sólidos, líquido y
gaseoso. Estos puntos tienen cierto
interés, ya que representan un invariante y
por lo tanto se pueden utilizar para
calibrar termómetros.
Los pares (presión, temperatura) que
corresponden a una transición de fase
entre:
Dos fases sólidas: Cambio alotrópico;
entre una fase sólida y una fase líquida:
fusión - solidificación;
entre una fase sólida y una fase vapor
(gas): sublimación - deposición (o
sublimación inversa);
entre una fase líquida y una fase vapor:
vaporización
condensación
(o
licuefacción);
Es importante señalar que la curva que separa las
fases vapor-líquido se detiene en un punto llamado
punto crítico. Más allá de este punto, la materia se
presenta como un fluido supercrítico que tiene
propiedades tanto de los líquidos como de los
gases. Modificando la presión y temperatura en
valores alrededor del punto crítico se producen
reacciones que pueden tener interés industrial,
como por ejemplo las utilizadas para obtener café
descafeinado. Es preciso anotar que, en el diagrama
PV del agua, la línea que separa los estados líquido
y sólido tiene pendiente negativa, lo cual es algo
bastante inusual. Esto quiere decir que aumentando
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B. Diagramas de fase con fases intermedias
Muchos diagramas de equilibrio son complejos y,
a menudo muestran fases o compuestos
intermedios. Es conveniente distinguir entre dos
tipos de soluciones sólidas: fases terminales y fases
intermedias. Las fases en solución sólida
terminales se presentan al final de los diagramas de
fases, en los límites de los componentes puros. Las
soluciones en fases intermedias se presentan en un
rango de composiciones dentro del diagrama de
fases y están separadas de otras fases en un
diagrama binario por regiones de dos fases. En este
sistema, α y η, y β, γ,δ y ε son fases intermedias. El
diagrama de fases Cu-Zn cuenta con cinco puntos
peritécticos invariantes y con un punto eutectoide
invariante en el punto más debajo de la región
intermedia δ. Las fases intermedias no están
restringidas a diagramas de fases metálicos.
IV. DIAGRAMAS DE FASE DE TIPO
EUTÉCTICO. DOS METALES
COMPLETAMENTE INSOLUBLES EN
ESTADO SOLIDO
Los primeros investigadores en aplicar estas
técnicas fueron Sekiguchi y Obi quienes
obtuvieron mezclas eutécticas y soluciones sólidas
por fusión de fármacos de baja solubilidad con
substancias fisiológicamente inertes, rápidamente
solubles en agua, como la urea y el ácido succínico.
El fármaco y el vector soluble se mezclan y se
calientan hasta fusión; el líquido homogéneo se
enfría y, una vez al estado sólido, la masa se reduce
a polvo y se tamiza a través de un tamiz de malla
apropiada. Cuando este tipo de sistema se introduce
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en agua, la substancia soluble se disuelve
rápidamente y el medicamento poco soluble se
libera en un estado de división muy fino lo que
contribuye a aumentar su solubilidad y su
velocidad de disolución.
Considerando los aspectos teóricos del
procedimiento, los podemos resumir diciendo que
cuando dos substancias se funden conjuntamente,
los líquidos resultantes pueden ser:
•
•
•
no miscibles
parcialmente miscibles
completamente miscibles
Los diagramas de fases de los sistemas pueden
damos información útil acerca de estos fenómenos.
En el caso de substancias no miscibles, el diagrama
de fases es muy simple, siempre que no se formen
compuestos intermedios. En el caso de la figura
1.3, que representa el caso de una mezcla de A y B
en diferentes proporciones, el componente B se
separa cuando la mezcla tiene una composición de
0% a 40% de A. Inversamente, si la mezcla está
constituida por 0% a 60% de B, se observará
solamente la separación del producto A.
El punto de intersección, E, de las dos curvas que
separan la zona líquida y la zona donde el líquido
se encuentra en equilibrio con el sólido, se llama
"punto eutéctico" (del griego: "fusión fácil") y es
la temperatura más baja a la cual puede existir la
fase líquida. A este punto corresponde una
temperatura y una composición determinada que,
para la mezcla del diagrama de la figura 1.3,
corresponde a 40% de A y 60% de B. Un líquido
de esta composición, al enfriamiento forma dos
fases sólidas separadas, A y B puras. Cuando una
mezcla fundida posee un diagrama de fases como
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éste, la última gota de líquido contiene siempre la
composición eutéctica y es solamente en el punto
eutéctico que los dos sólidos se separan. El
enfriamiento de las mezclas para cualquier otra
composición no dará lugar a la separación de una
sola fase sólida.
V. DIAGRAMA DE FASE DE TIPO
EUTÉCTICO, DOS METALES
COMPLETAMENTE SOLUBLES EN ESTADO
LÍQUIDO Y PARCIALMENTE SOLUBLE EN
ESTADO SOLIDO
En este caso las soluciones sólidas de un
componente en otro que se forman tienen un límite
de saturación.
Los puntos de solidificación de los dos
componentes puros vienen representados por TA y
TB respectivamente. La línea de líquidas será
TAETB y la de sólidas TAFEGTB. Como puede
verse en éste tipo de diagramas de equilibrio en los
puntos de fusión de los metales puros, que a su vez
es punto de encuentro de la línea de líquido y de
sólido, el diagrama adquiere forma la forma de
huso característica de los sistemas que presentan
solubilidad total en estado líquido, lo cual es
lógico, ya que los componentes son parcialmente
solubles en estado sólido y por tanto forman
soluciones sólidas. Al solidificar las aleaciones
pertenecientes a este diagrama, nunca se forman
cristales puros de A o de B sino que se forman
soluciones sólidas o una mezcla de ellas.
Las soluciones sólidas se designan por letras
griegas, siendo en ésta caso a y ß las regiones
correspondientes a las soluciones sólidas
monofásicas, las cuales al formarse en las regiones
contiguas a los ejes se denominan soluciones
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sólidas terminales o finales. En él puede verse que
al descender la temperatura y alcanzar la
temperatura eutéctica, la solución sólida a disuelve
un máximo de B, cuya cantidad disminuye si lo
hace la temperatura hasta un mínimo. Y lo mismo
ocurre en el caso de ß. Este cambio de solubilidad
lo indican las líneas FH y GJ, las cuales se
denominan líneas de transformación o cambio de
solubilidad, e indican la solubilidad máxima de B
en A o de A en B en función de la temperatura. Si
consideramos el enfriamiento de distintas
disoluciones, se observa que en caso de tomar una
aleación cuya composición sea la eutéctica lo que
tenemos es en primer lugar una solución líquida
homogénea que al descender la temperatura hasta
la eutéctica se transforma a temperatura constante
en una mezcla eutéctica igual que pasara en el caso
anterior estudiado, con la única diferencia que ésta
mezcla eutéctica en lugar de estar constituida por
dos componentes puros, la formarán dos soluciones
sólidas. Ahora bien hay que tener en cuenta que
como la solubilidad de B en A y de A en B varía de
acuerdo con las líneas de transformación, las
cantidades relativas de alfa y beta que componen el
eutéctico
a
temperatura ambiente difieren
ligeramente de las obtenidas después de la
transformación eutéctica.
VI. FASE INTERMEDIA DE FUSIÓN
CONGRUENTE
Cuando una fase cambia en otra isotérmicamente y
sin ninguna modificación en composición química,
se dice que es un cambio de fase congruente o una
transformación congruente.
Las fases intermedias son congruentes porque son
únicas y se presentan entre las fases terminales en
un diagrama de fase.
Si la fase intermedia tiene un reducido intervalo de
composición, como sucede en los compuestos Inter
metálicos y los compuestos intersticiales, entonces
se representa en el diarama con una línea vertical y
se indica con la formula del compuesto
intermetálico.
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VII. ALEACIONES COMERCIALES DE
MATERIALES NO FERROSOS
Cada uno de estos procesos adopta diferentes
formas tecnológicas según las características
distintivas de cada metal y en algunos casos no se
aplica la totalidad de las etapas mencionadas. Por
ejemplo, el mercurio no requiere fusión porque ya
es líquido a temperatura ambiente y los metales
nobles muchas veces se emplean en estado puro, no
aleado. A continuación, se describen en forma
breve los procesos de la metalurgia de los metales
no ferrosos.
A. Extracción.
Los metales no ferrosos provienen de minerales
que se pueden encontrar en la superficie de la tierra
o bien en yacimientos subterráneos. En ambos
casos se han desarrollado técnicas de explotación
eficientes y rentables.
B. Concentración.
Los metales no ferrosos raramente se encuentran en
estado puro y en cantidades comerciales en los
minerales de los que se obtienen. Por esta razón, se
aplican procedimientos físicos y mecánicos
para separar el mineral de interés de la ganga. Entr
e los procesos
de preparación
más utilizados se menciona
la pulverización o molienda del mineral para luego
mezclarlo
con agua
y un aceite.
Esta mezcla o suspensión se somete a algún tipo de
agitación enérgica para promover el formado de
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una espuma en la que los minerales metálicos
quedan suspendidos mientras que otros materiales
no deseables, como arena, roca, etc., sedimentan.
C. Fusión.
Los hornos utilizados para la fusión de los
minerales de metales no ferrosos incluyen un tipo
de alto horno de menores dimensiones que los de
arrabio y los hornos de reverbero, es decir aquellos
en los que se aplica una llama directa sobre la
carga. De todas maneras, se reitera que no todos los
metales no ferrosos necesitan ser fundidos para ser
procesados. En los hornos para la producción de
metales no ferrosos usualmente existen sistemas
para el control de las emisiones de polvo. Esto se
debe tanto a una medida de control de la
contaminación
ambiental
como
al
aprovechamiento de metal adicional que esté
contenido en los polvos cuando el mineral se
pulverizado a un nivel muy fino.
D. Afinación.
Para lograr las características de calidad y pureza
necesarias en los metales no ferrosos se pueden
utilizar diferentes procesos. En la manufactura de
cobre de alta pureza, por ejemplo, se
usan cubas electrolíticas en
las cuales
el material adquiere niveles de calidad muy altos.
VIII. CONCLUSIONES
Con estos datos se ha podido concluir que con la
mezcla de diferentes materiales podemos crear
materiales mas resistentes, con mejores
propiedades según sea nuestra necesidad.
También aprendemos al mismo tiempo en que
temperatura o con que porcentaje de cada material
empiezan a mezclarse. Aleaciones. Las fases en
cada aleación y sus diferentes estados. Como
también los diferentes procesos que existen para
que estos se fusionen en uno solo.
IX. BIBLIOGRAFÍA
[1] AVALLONE, EUGENE A. MANUAL DEL
INGENIERO MECÁNICO, TERCERA EDICIÓN,
MCGRAW-HILL
[2] Best, M. 1982. Igneous and Metamorphic
Petrology. 630 pp. W.H.Freeman & Co.
[3] Swamy, V., y Saxena, S.K. 1994. A
thermodynamic assessment of silica phase
diagram. J. Geophys. Res. 99: 11787- 11794.
[4] Bowen, N.L. 1951. The crystallization of
haplodioritic, and related magmas. Amer.
Jour. Sci. 40: 161-185.
E. Aleación.
Para cumplir adecuadamente con los diferentes
requerimientos del servicio, es usual ajustar la
composición mediante el mezclado de diferentes
metales puros de manera de lograr una solución
sólida o aleación con las características buscadas.
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