Procesos de Obtención de Metales

Metalurgia Primaria

En la metalurgia primaria, primero se extrae el mineral de la mina en forma de mena. Se separa la mena (parte rica en metal) de la ganga (parte que no es aprovechable). Después se aplica calcinación en altos hornos. Se calienta la mena en el horno y se eliminan los óxidos que se producen. Obtenemos un metal fundido (arrabio) en cuya superficie flota la escoria. Se separan estas dos partes. Posteriormente, se convierte el arrabio en hierro dulce o en acero. El hierro dulce es rico en carbono, por lo que es necesario eliminar este exceso.

Es una tecnología poco eficiente, con muchos residuos y un tiempo de proceso largo.

Metalurgia Secundaria

Consiste en fundir la chatarra (reciclada) y aplicarle un afinamiento para separar el componente mayoritario de los otros componentes minoritarios que puedan estar mezclados. En la fase de fusión, se introduce la chatarra en el horno con los agentes reactivos y escorificantes. Se separa la colada de la escoria (esta queda flotando sobre la colada).

En la fase de afinamiento, se analiza la composición del baño fundido y se procede a la eliminación de impurezas y elementos indeseables. Se vacía el acero obtenido en una cuchara de colada donde se acaba de ajustar la composición del acero. Finalmente, se reparte el fluido en diversas líneas de colada continua (el acero se vierte directamente dentro de un molde que se desplaza).

Ventajas de los Procesos

Si la chatarra está bien separada, el mejor proceso es el de metalurgia secundaria porque crea menos residuos. Sin embargo, a menudo nos encontramos con chatarra de muy mala calidad que dificulta este proceso.

La obtención de metales por metalurgia primaria es un proceso muy poco eficiente que genera muchos residuos y tiene unos tiempos de proceso muy largos.

Ensayo Jominy

Se utiliza para medir la templabilidad (capacidad de un acero de permitir que el temple penetre). Esta propiedad depende del elemento de aleación (más aleado, más templable), el tamaño de grano y el tamaño de la pieza a templar.

Se utiliza una probeta de una pulgada de grosor (1 hora al horno). Se moja un canto y se realizan medidas de dureza. El punto de inflexión indica la profundidad que penetra el temple.

Tratamientos Térmicos del Acero

Austempering

El objetivo es lograr una estructura bainítica. Las ventajas de este proceso son que la pieza final aumenta en tenacidad, es más dúctil, más dura y uniforme, y mucho más resistente tanto al desgaste como a la corrosión.

Calentamos la pieza por encima de la temperatura crítica y la enfriamos de forma brusca hasta una temperatura comprendida entre la de la martensita y los 450ºC, tiene que ser suficientemente rápido para evitar la formación de perlita. Mantenemos esa temperatura hasta que toda la austenita se transforme en bainita y enfriamos al aire.

Martempering

El objetivo es lograr una estructura totalmente martensítica. La pieza se enfría desde la temperatura de austenita hasta una temperatura algo por encima de la línea de Ms. Se mantiene esta temperatura durante un tiempo para asegurarnos de que toda la pieza se encuentre a la misma temperatura (el centro y la superficie) y para evitar la transformación en austenita. Luego se enfría la pieza al aire. Al final obtendremos una pieza con estructura martensita.

Temple por Llama Oxiacetilénica

La pieza ha de tener el suficiente carbono (0,3-0,6%) para permitir un temple de naturaleza martensítica. Lo que obtenemos con este proceso es una capa superficial dura entre 0,8-6 mm y un núcleo tenaz. Para la llama usamos oxígeno-gas combustible, acetileno, propano…

Este proceso es rápido y barato, produce un endurecimiento superficial y estabilidad dimensional. En caso de obtener una pieza demasiado dura, podemos aplicar la llama más cerca de la pieza para variar la dureza.

Las llamas son muy energéticas y se puede recalentar la pieza, provocando que el temple no se realice correctamente. Es difícil obtener capas duras de poco grosor. Se suele provocar un crecimiento anormal de grano de austenita.

Temple por Inducción

Trabajamos con unas bobinas de inducción que calientan de forma veloz. Dependiendo del material y la corriente de inducción, la capacidad de calentamiento será mayor o menor, lo que afecta a la vez a la penetración.

Este proceso se utiliza en aceros hipoeutectoides (0,35-0,45% C). Lo bueno de este proceso es que la forma de la bobina se puede adaptar para calentar solamente una parte de la pieza. Es un proceso muy económico.

Temple por Láser

Es una técnica cara y que requiere preparar la pieza con una pintura conductora. Se suele utilizar para piezas pequeñas o con formas complejas. La profundidad de endurecimiento es pequeña (0,2-0,7 mm). Se suele utilizar un láser de CO2 ya que se calienta muy rápido.

Temple por Haz Electrónico

Este proceso es muy caro y calienta la pieza de forma muy rápida. El proceso consiste en hacer incidir electrones sobre la superficie. Se usa para endurecer zonas localizadas de la pieza.

Tratamientos Termoquímicos

Los tratamientos superficiales termoquímicos alteran la composición de la pieza. Se introduce C en la pieza, cambiando su composición química a escala superficial. Al introducir carbono, obtenemos dureza superficial. También se pueden introducir otros elementos, como por ejemplo el nitrógeno.

Cementación

Se utiliza en aceros con un carbono inferior al 2%. El objetivo de este tratamiento es aumentar la dureza y resistencia, y conseguir un núcleo tenaz y dúctil. Calentamos la pieza a una temperatura en torno a los 850ºC en una atmósfera rica en carbono. Hacemos un temple martensítico y un revenido (150-200ºC). Dependemos del medio, temperatura y tiempo. Este proceso se rige por la 2ª Ley de Fick.

Podemos obtener:

• Cementación sólida: Quemamos carbón vegetal.
• Cementación líquida: Se usan líquidos cianuros en un baño de sal, deja muchos residuos.
• Cementación gaseosa: Se usan gases ricos en carbono como el metano.

Nitruración

En este proceso se quiere introducir nitrógeno en el acero, que reacciona químicamente con el Fe y las aleaciones. Trabajamos a temperaturas bajas, 490-560ºC, sin llegar a la austenización para evitar deformaciones. Los nitruros forman una capa de resistencia a la corrosión.

Al trabajar a temperaturas más bajas, el proceso es más largo, las capas duras son poco profundas y los aceros utilizados no pueden tener mucho carbono (0,2-0,6%).

• Nitruración gaseosa: es la más usada.
• Nitruración iónica o por plasma: es muy cara.
• Nitruración por baño salino: deja muchos residuos.

Aleaciones Ligeras y sus Propiedades

Aluminio

El aluminio tiene una densidad baja, es un aleación ligera, muy abundante, con una ductilidad elevada, bajo punto de fusión, elevada conductividad y es reciclable (aunque el proceso es muy caro porque consume mucha energía).

Se le puede aplicar temple y maduración (hay que dejar pasar un tiempo para que se endurezca, ya que después de hacer el temple queda más blando).

Cobre

El cobre es muy resistente a la corrosión (metal noble que le cuesta mucho oxidarse y su capa de óxido verdosa lo protege), muy buen conductor y se combina con otros elementos.

Titanio

El titanio es muy ligero (4,5 g/cm3), tiene alta resistencia a la corrosión (se oxida fácilmente, pero su capa de óxido lo protege de futuras oxidaciones. Dependiendo del grosor de esta capa, cambia de color), gran resistencia mecánica y es muy costoso. Es un material muy eficiente.

Magnesio

El magnesio tiene un bajo punto de fusión. Los componentes se obtienen por fusión o por deformación plástica. Es muy inestable y susceptible a la corrosión en entornos marinos.

Níquel

El níquel tiene una densidad elevada, es semejante al hierro en resistencia y rigidez, muy resistente a la corrosión (más que el hierro), estéticamente atractivo y resistente a temperaturas elevadas (superaleaciones).

Otros Tratamientos Superficiales

Anodizado (Aleaciones de Aluminio)

Se trata la superficie del aluminio generando una capa de óxido muy bien adherida a la pieza. Esta capa de óxido, que protege al interior de la pieza de la oxidación, se conoce como alúmina.

Realizamos un baño electrolítico, el ánodo es nuestra pieza y el cátodo es una sustancia donde se produce la reducción. El aluminio se oxidará en este baño, normalmente de ácido sulfúrico. Obtenemos:

• Anodizado duro: capa no porosa ya que el óxido no es soluble.
• Anodizado decorativo: se producen poros, pudiendo colorear la capa de óxido.

Debemos de tener en cuenta a la hora de realizar este proceso la aleación, la concentración del ácido del baño, la temperatura del baño, la densidad de corriente y el tiempo del proceso.

Recubrimientos Electrolíticos

El objetivo es obtener la capa de un metal puro a través de un baño salino, recubrimos nuestra pieza a través de un material de reducción. El material a recubrir hace la función de cátodo y ha de ser conductor eléctrico. El recipiente debe ser inerte y debemos de tener una corriente eléctrica continua.

Es un proceso que se puede utilizar en muchas piezas, es una técnica muy conocida y la profundidad de penetración es muy controlable. Por otro lado, es un proceso largo que genera muchos residuos y la pieza suele tener zonas con distinto grado de adherencia, haciendo que la pieza final no quede 100% uniforme.

Ejemplos: Cromo duro, cromo decorativo, cobre electrolítico, níquel electrolítico, zinc electrolítico.

Recubrimientos Químicos

Níquel químico: Se produce una reacción REDOX que deposita el níquel en el material a recubrir. Lo importante es que no se necesita un material conductor, ya que el material no va a formar parte de una pila electrolítica. Es poco contaminante, se pueden recubrir partes internas de una pieza, los recubrimientos son uniformes, buena resistencia al desgaste y abrasión. El inconveniente es que es un proceso lento y caro.

Tratamientos para Protección Térmica

Se trata de seleccionar una sustancia que queremos usar como recubrimiento, llevarla a un estado fundido-semifundido y pulverizar sobre un sustrato que queremos recubrir.

Los grosores de capa son algo grandes, no hace falta calentar mucho la pieza que queremos recubrir. Se puede usar cualquier material que pueda ser pulverizado. Disparamos nuestra pulverización a nuestra pieza y van a chocar y expandirse laminarmente por encima de nuestro sustrato. La velocidad de proyección tiene que ser alta para que se expanda bien. Lo malo es que, a pesar de que la pulverización se lance a alta velocidad, puede no adherirse a nuestra pieza. También suele generar porosidades en la pieza recubierta.

CVC vs PVD

PVD necesita temperaturas inferiores y no necesita reacciones químicas. PVD se deposita más rápido y es más versátil. PVD necesita una cámara de vacío. En el PVD la adherencia es menor.

Técnica de Fusión y Moldeo

Partimos de una materia prima que llevamos al estado líquido. Es un proceso sencillo, se pueden generar muchas geometrías y es una técnica muy usada y conocida. Se suelen usar materiales con bajo punto de fusión. En este proceso se utilizan tanto moldes reutilizables como moldes que solo se utilizan una vez.

Procesos Híbridos

Combinamos técnicas de fusión:

1. Squeez Casting: Rápida transferencia de calor, la solidificación es dentro de una matriz metálica y los componentes acaban sin porosidades y con un grano fino.
2. RheoCasting: Usa un metal semisólido, no fundido a diferencia de los demás métodos.

Pulvimetalurgia

Obtención de la materia prima en forma de polvo: puede ser por reducción química/precipitación, electrólisis, trituración, a partir de líquido solidificado.

• Mezcla: se añaden los aditivos (lubricantes, defloculantes, aglomerantes). Polvo representativo.
• Vertido del polvo en un molde.
• Compactación (en frío): por vibración (distribución del polvo al molde, densificación, incremento de contacto entre partículas) o por compactación por prensado mecánico (vacío o atmósfera controlada). Pieza verde.
• Sinterización: calentamiento de la pieza compactada a una temperatura menor a la de fusión para unir las partículas.
• Conformado final (operaciones secundarias opcionales).

Ventajas:

• Ahorro energético.
• Gran aprovechamiento de la materia prima.
• Posibilidad de obtención de elementos porosos.
• Garantía de componentes no porosos (HIP).
• Conformar materiales con T fusión elevada.
• Tiempo corto.
• Control dimensional excelente.
• No se necesitan operaciones posteriores.

Inconvenientes:

• Elevado precio de materias primas.
• Dificultad de almacenamiento.
• Riesgo de compactación desigual.
• Límite en volumen de piezas.