Metalurgia: Ciencia y Aplicación de Materiales Metálicos

La metalurgia es el arte y la ciencia que se ocupan de la preparación y aplicación de los materiales metálicos. Se reconocen tres ramas distintas de la metalurgia: química, física y mecánica.

• Metalurgia Química: Se ocupa de los procesos de obtención de metales a partir de productos encontrados en la naturaleza.
• Metalurgia Física: Estudia la naturaleza, la estructura y las propiedades de los materiales metálicos, así como los mecanismos que se pueden utilizar para variar esas propiedades. Incluye la metalografía, el ensayo de propiedades y los tratamientos térmicos.
• Metalurgia Mecánica: Cubre el estudio de los métodos para dar forma a los metales. Los principales son la colada y el forjado, complementados con la soldadura.

Metalografía: Estudio Estructural de los Metales

La metalografía es el estudio de la estructura de los metales con la ayuda del microscopio, la difracción de rayos X y otras técnicas. Permite correlacionar la estructura observada con las propiedades físicas y mecánicas.

Estructura Cristalina de los Metales

Los metales, en estado sólido, forman una estructura cristalina con iones distribuidos de modo tal que llevan a la formación de un reticulado espacial. De acuerdo con las diferentes ubicaciones de los iones en el reticulado espacial, se pueden dar distintos tipos de celdas unitarias. Los tres tipos que más se suelen encontrar en los metales son:

• Cúbica a cuerpo centrado (BCC)
• Cúbica a cara centrada (FCC)
• Hexagonal compacta (HCP)

Las propiedades físicas y mecánicas de los metales dependen de su estructura cristalina. El conocimiento de la estructura cristalina es también importante si se tiene en cuenta que un cristal puede tener propiedades distintas en diferentes direcciones. Esta propiedad de anisotropía es característica de las estructuras cristalinas. Algunos metales cambian su estructura cristalina al cambiar su temperatura (cambio alotrópico).

Sobreenfriamiento en la Solidificación de Metales

El sobreenfriamiento se produce porque los primeros átomos o iones que se unen para formar núcleos tienen que alcanzar un cierto valor de energía para no ser absorbidos por la energía del líquido que los rodea. Solo lo logran a una temperatura inferior a la real de solidificación.

Control del Tamaño de Grano en Metales

Al terminar el sobreenfriamiento, comienzan a formarse los núcleos de cristalización. De acuerdo con el número de núcleos que se formen en el metal que solidifica, será posible obtener un sólido con granos grandes o con granos pequeños. El tamaño de los granos puede controlarse agregando al metal “impurezas” que posibilitan la formación de núcleos y también regulando el régimen de solidificación.

Aleaciones: Combinaciones Metálicas

Dos o más elementos pueden combinarse de distintas maneras. Si esa combinación posee propiedades y características metálicas, se llama aleación.

Clasificación de las Aleaciones

1. Según el Número de Elementos Metálicos

• Binaria
• Terciaria
• Cuaternaria
• Etcétera

2. Según la Miscibilidad en Estado Líquido y Sólido (sin reacciones químicas)

2.1. Soluciones Sólidas

Son solubles en estado sólido y líquido, no reaccionan químicamente y forman una sola fase. Se dan cuando existe cierta similitud entre ambos elementos (tamaño atómico casi igual y, principalmente, el mismo tipo de reticulado espacial). Si los átomos de uno de los elementos pueden sustituir a los átomos del otro en el reticulado espacial, este tipo de aleación se denomina solución sólida sustitucional (ejemplo: oro y cobre). Si los átomos más pequeños no reemplazan a los más grandes, sino que aquellos se ubican entre estos, la solución se llama sólida intersticial (ejemplo: hierro y carbono).

2.2. Compuestos Intermetálicos

Son compuestos solubles en estado líquido y parcialmente solubles en estado sólido, sufriendo combinaciones químicas. Presentan una sola fase, distribuyéndose los átomos ordenadamente, en proporciones determinadas y posiciones definidas.

2.3. Aleaciones o Ligas Eutécticas

Estas aleaciones, con dos fases en estado sólido, se denominan aleaciones eutécticas. La temperatura de solidificación del eutéctico es siempre inferior a las temperaturas de solidificación de los elementos que lo constituyen. Se usan para soldaduras.

3. Según su Dureza y Resistencia Compresiva (Clasificación para Restauraciones Dentales)

3.1. Tipo I (Blandas)

Recomendadas para incrustaciones pequeñas, es decir, para cargas ligeras.

3.2. Tipo II (Medianas)

Recomendadas para incrustaciones y coronas, es decir, para cargas moderadas.

3.3. Tipo III (Duras)

Recomendadas para incrustaciones, coronas y puentes de brechas cortas, es decir, para cargas más elevadas.

3.4. Tipo IV (Extraduras)

Recomendadas para coronas y puentes de brechas largas, es decir, para cargas elevadas.

4. Según el Comportamiento en el Medio (Clasificación para Aplicaciones Biomédicas)

4.1. Aleaciones Nobles

Son aquellas aleaciones con contenido de oro mayor a 75%. Dentro de ellas encontramos dos grandes grupos:

1. Oro-cobre-plata: para restauraciones de metal-resina y metálicas.
2. Oro-platino-paladio: para restauraciones metalocerámicas.

4.2. Aleaciones Semí-nobles

Hay dos tipos:

1. Con contenido de oro menor a 75%, que a su vez se dividen en:

   a) Mayor contenido de oro combinadas con Ag y Cu en proporción decreciente: Au-Ag-Cu.

   b) Menor contenido de oro combinadas con Ag, Pd y Cu en proporción decreciente: Ag-Pd-Au-Cu.

2. Libres de oro, que contienen solo metales considerados semí-nobles. Se pueden obtener de dos tipos:

   a) Combinación de Ag-Pd (mucha Ag y poco Pd).

   b) Con Pd-Ag (mucho Pd y poca Ag).

4.3. Aleaciones No Nobles, Bajas o Pasivadas

Formadas por la combinación de metales no nobles y metales pasivados. No poseen metales nobles, siendo los más frecuentemente utilizados:

• Níquel-Cromo (Ni-Cr)
• Cobalto-Cromo (Co-Cr)
• Titanio puro y sus aleaciones

Aleaciones Metalocerámicas: Requisitos

• Coeficiente de expansión térmica similar al de la porcelana, especialmente por debajo de 600 ºC.
• Alta temperatura de fusión para soportar la cocción de la porcelana y resistir la deformación durante la misma.
• El metal debe formar un soporte rígido y resistente para la porcelana, aun en secciones delgadas.
• Compatibilidad química con la porcelana para una correcta unión.
• Resistencia a la corrosión en el medio bucal, aun cuando la mayor parte de la estructura metálica esté cubierta por porcelana.

Tratamiento Térmico de Aleaciones

a) Ablandamiento

Consiste en calentar la aleación en un horno a 700 ºC durante 10 minutos y enfriarla bruscamente en agua. Se utiliza en estructuras que deben ser tratadas y desgastadas en frío.

b) Endurecimiento

Puede llevarse a cabo metalúrgicamente de tres maneras distintas:

1. Enfriado lento de la aleación a partir de 700 ºC, lo que produce una correcta reorganización de su estructura cristalina.
2. Enfriado de la aleación dentro del horno desde 450 ºC hasta 250 ºC en 30 minutos, seguido de un enfriamiento brusco en agua. Aumenta la dureza, pero la vuelve más frágil.
3. Forma más práctica: se somete a un tratamiento térmico de ablandamiento previo para provocar una solución sólida desordenada. Luego, se recalienta a una temperatura entre 200 ºC y 450 ºC durante 15 a 30 minutos y se enfría en agua.