La metalurgia es un dominio de la ciencia e ingeniería de los materiales que estudia el comportamiento físico y químico de los elementos metálicos , sus compuestos intermetálicos y sus mezclas, que se conocen como aleaciones .
La metalurgia abarca tanto la ciencia como la tecnología de los metales, incluida la producción de metales y la ingeniería de componentes metálicos utilizados en productos tanto para consumidores como para fabricantes. La metalurgia se distingue del oficio de trabajar los metales . El trabajo de los metales depende de la metalurgia de manera similar a cómo la medicina depende de la ciencia médica para el avance técnico. Un profesional especializado en metalurgia se conoce como metalúrgico.
La ciencia de la metalurgia se subdivide en dos grandes categorías: metalurgia química y metalurgia física . La metalurgia química se ocupa principalmente de la reducción y oxidación de metales, y del rendimiento químico de los metales. Los temas de estudio en la metalurgia química incluyen el procesamiento de minerales , la extracción de metales , la termodinámica , la electroquímica y la degradación química ( corrosión ). [1] Por el contrario, la metalurgia física se centra en las propiedades mecánicas de los metales, las propiedades físicas de los metales y el rendimiento físico de los metales. Los temas estudiados en la metalurgia física incluyen cristalografía , caracterización de materiales , metalurgia mecánica, transformaciones de fase y mecanismos de falla . [2]
Históricamente, la metalurgia se ha centrado predominantemente en la producción de metales. La producción de metales comienza con el procesamiento de minerales para extraer el metal e incluye la mezcla de metales para hacer aleaciones . Las aleaciones de metales suelen ser una mezcla de al menos dos elementos metálicos diferentes. Sin embargo, a menudo se añaden elementos no metálicos a las aleaciones para lograr propiedades adecuadas para una aplicación. El estudio de la producción de metales se subdivide en metalurgia ferrosa (también conocida como metalurgia negra ) y metalurgia no ferrosa , también conocida como metalurgia coloreada.
La metalurgia ferrosa comprende procesos y aleaciones basados en el hierro , mientras que la metalurgia no ferrosa comprende procesos y aleaciones basados en otros metales. La producción de metales ferrosos representa el 95% de la producción mundial de metales. [3]
Los metalúrgicos modernos trabajan tanto en áreas emergentes como tradicionales como parte de un equipo interdisciplinario junto con científicos de materiales y otros ingenieros. Algunas áreas tradicionales incluyen el procesamiento de minerales, la producción de metales, el tratamiento térmico, el análisis de fallas y la unión de metales (incluida la soldadura , la soldadura fuerte y la soldadura blanda ). Las áreas emergentes para los metalúrgicos incluyen la nanotecnología , los superconductores , los compuestos , los materiales biomédicos , los materiales electrónicos (semiconductores) y la ingeniería de superficies .
Metalurgia deriva del griego antiguo μεταλλουργός , metallourgós , "trabajador en metal", de μέταλλον , métallon , "mina, metal" + ἔργον , érgon , "trabajo". La palabra fue originalmente un término de alquimista para la extracción de metales de minerales, la terminación -urgia significa un proceso, especialmente fabricación: fue discutida en este sentido en la Encyclopædia Britannica de 1797. [4]
A finales del siglo XIX, la definición de metalurgia se amplió al estudio científico más general de los metales, las aleaciones y los procesos relacionados. En inglés , la pronunciación / mɛˈtælərdʒi / es la más común en el Reino Unido . La pronunciación / ˈmɛtəlɜːrdʒi / es la más común en los Estados Unidos y es la primera variante que aparece en varios diccionarios estadounidenses , incluidos Merriam - Webster Collegiate y American Heritage .
El metal más antiguo empleado por los humanos parece ser el oro , que se puede encontrar " nativo ". Se han encontrado pequeñas cantidades de oro natural, que datan del Paleolítico tardío, 40.000 a. C., en cuevas españolas. [5] También se pueden encontrar plata , cobre , estaño y hierro meteórico en forma nativa, lo que permitió una cantidad limitada de metalurgia en culturas tempranas. [6] La metalurgia en frío temprana, utilizando cobre nativo no fundido a partir del mineral, se ha documentado en sitios de Anatolia y en el sitio de Tell Maghzaliyah en Irak , que datan del séptimo/sexto milenio a. C. [7] [8] [9]
El primer apoyo arqueológico de la fundición (metalurgia en caliente) en Eurasia se encuentra en los Balcanes y los Cárpatos , como lo evidencian los hallazgos de objetos hechos por fundición y fundición de metales que datan de alrededor de 6000-5000 a. C. [10] [11] [9] Ciertos metales, como el estaño, el plomo y el cobre, se pueden recuperar de sus minerales simplemente calentando las rocas en un fuego o alto horno en un proceso conocido como fundición. La primera evidencia de fundición de cobre, que data del sexto milenio a. C., [12] se ha encontrado en sitios arqueológicos en Majdanpek , Jarmovac y Pločnik , en la actual Serbia . [13] [8] El sitio de Pločnik ha producido un hacha de cobre fundido que data del 5500 a. C., perteneciente a la cultura Vinča . [14] Los Balcanes y la región adyacente de los Cárpatos fueron la ubicación de las principales culturas calcolíticas, incluidas Vinča , Varna , Karanovo , Gumelnița y Hamangia , que a menudo se agrupan bajo el nombre de " Vieja Europa ". [15] Con la región de los Cárpatos y los Balcanes descrita como la "provincia metalúrgica más antigua de Eurasia", [16] su escala y calidad técnica de producción de metales en los milenios VI-V a. C. eclipsaron totalmente la de cualquier otro centro de producción contemporáneo. [17] [18] [19]
El uso documentado más antiguo de plomo (posiblemente nativo o fundido) en Oriente Próximo data del sexto milenio a. C. y se remonta a los asentamientos neolíticos tardíos de Yarim Tepe y Arpachiyah en Irak . Los artefactos sugieren que la fundición de plomo puede haber sido anterior a la fundición de cobre. [20] También se ha encontrado metalurgia del plomo en los Balcanes durante el mismo período. [8]
La fundición de cobre está documentada en yacimientos de Anatolia y en el de Tal-i Iblis, en el sureste de Irán, desde alrededor del año 5000 a. C. [7]
La fundición de cobre se documentó por primera vez en la región del delta del norte de Egipto alrededor del año 4000 a. C., asociada con la cultura Maadi . Esto representa la evidencia más temprana de fundición en África. [21]
La Necrópolis de Varna , Bulgaria , es un lugar de enterramiento ubicado en la zona industrial occidental de Varna , aproximadamente a 4 km del centro de la ciudad, considerado internacionalmente uno de los sitios arqueológicos clave en la prehistoria mundial. El tesoro de oro más antiguo del mundo, que data del 4600 a. C. al 4200 a. C., fue descubierto en el sitio. [22] La pieza de oro que data del 4500 a. C., encontrada en 2019 en Durankulak , cerca de Varna , es otro ejemplo importante. [23] [24] Se encuentran otros signos de metales tempranos del tercer milenio a. C. en Palmela , Portugal, Los Millares , España y Stonehenge , Reino Unido. Sin embargo, los comienzos precisos no se han determinado con claridad y los nuevos descubrimientos son continuos y constantes.
Aproximadamente en 1900 a. C., existían antiguos sitios de fundición de hierro en Tamil Nadu . [25] [26]
En Oriente Próximo , alrededor del año 3500 a. C., se descubrió que combinando cobre y estaño se podía fabricar un metal superior, una aleación llamada bronce . Esto representó un importante cambio tecnológico conocido como la Edad del Bronce .
La extracción del hierro de su mena para convertirlo en un metal trabajable es mucho más difícil que la del cobre o el estaño. Parece que el proceso fue inventado por los hititas alrededor del año 1200 a. C., lo que dio inicio a la Edad del Hierro . El secreto de la extracción y el trabajo del hierro fue un factor clave en el éxito de los filisteos . [27] [28]
Los avances históricos en el campo de la metalurgia ferrosa se pueden encontrar en una amplia variedad de culturas y civilizaciones pasadas. Esto incluye los reinos e imperios antiguos y medievales de Oriente Medio y Oriente Próximo , el antiguo Irán , el antiguo Egipto , la antigua Nubia y Anatolia en la actual Turquía , la antigua Nok , Cartago , los celtas , los griegos y los romanos de la antigua Europa , la Europa medieval, la antigua y medieval China , la antigua y medieval India , el antiguo y medieval Japón , entre otros.
En un libro del siglo XVI escrito por Georg Agricola , De re metallica , se describen los procesos altamente desarrollados y complejos de extracción de minerales metálicos, metalurgia y extracción de metales de la época. A Agricola se lo ha descrito como el "padre de la metalurgia". [29]
La metalurgia extractiva es la práctica de extraer metales valiosos de un mineral y refinar los metales crudos extraídos para convertirlos en una forma más pura. Para convertir un óxido o sulfuro de metal en un metal más puro, el mineral debe reducirse física, química o electrolíticamente . Los metalúrgicos extractivos están interesados en tres corrientes principales: alimentación, concentrado (óxido/sulfuro de metal) y relaves (residuos).
Después de la extracción, los grandes trozos de mineral se trituran o muelen para obtener partículas lo suficientemente pequeñas, cada una de las cuales es mayoritariamente valiosa o mayoritariamente desecho. La concentración de las partículas valiosas en una forma que favorezca la separación permite extraer el metal deseado de los productos de desecho.
La minería puede no ser necesaria si el yacimiento y el entorno físico son propicios para la lixiviación . La lixiviación disuelve los minerales en un yacimiento y da como resultado una solución enriquecida. La solución se recoge y se procesa para extraer metales valiosos. Los yacimientos de mineral a menudo contienen más de un metal valioso.
Los relaves de un proceso anterior pueden utilizarse como materia prima en otro proceso para extraer un producto secundario del mineral original. Además, un concentrado puede contener más de un metal valioso. Ese concentrado se procesaría luego para separar los metales valiosos en componentes individuales.
Se ha dedicado mucho esfuerzo a comprender el sistema de aleación hierro -carbono, que incluye aceros y fundiciones . Los aceros al carbono simples (aquellos que contienen esencialmente solo carbono como elemento de aleación) se utilizan en aplicaciones de bajo costo y alta resistencia, donde ni el peso ni la corrosión son una preocupación importante. Las fundiciones, incluido el hierro dúctil , también forman parte del sistema hierro-carbono. Las aleaciones de hierro-manganeso-cromo (aceros tipo Hadfield) también se utilizan en aplicaciones no magnéticas, como la perforación direccional.
Otros metales de ingeniería son el aluminio , el cromo , el cobre , el magnesio , el níquel , el titanio , el zinc y el silicio . Estos metales se utilizan con mayor frecuencia como aleaciones, con la notable excepción del silicio, que no es un metal. Otras formas incluyen:
En ingeniería de producción , la metalurgia se ocupa de la producción de componentes metálicos para su uso en productos de consumo o de ingeniería . Esto implica la producción de aleaciones, el moldeado, el tratamiento térmico y el tratamiento de la superficie del producto. La tarea del metalúrgico es lograr un equilibrio entre las propiedades del material, como el costo, el peso , la resistencia , la tenacidad , la dureza , la corrosión , la resistencia a la fatiga y el rendimiento en temperaturas extremas. Para lograr este objetivo, se debe considerar cuidadosamente el entorno operativo. [ cita requerida ]
Determinar la dureza del metal utilizando las escalas de dureza Rockwell, Vickers y Brinell es una práctica comúnmente utilizada que ayuda a comprender mejor la elasticidad y plasticidad del metal para diferentes aplicaciones y procesos de producción. [30] En un entorno de agua salada, la mayoría de los metales ferrosos y algunas aleaciones no ferrosas se corroen rápidamente. Los metales expuestos a condiciones frías o criogénicas pueden sufrir una transición de dúctil a frágil y perder su tenacidad, volviéndose más frágiles y propensos a agrietarse. Los metales bajo carga cíclica continua pueden sufrir fatiga del metal . Los metales bajo estrés constante a temperaturas elevadas pueden deslizarse .
Los procesos de trabajo en frío , en los que se altera la forma del producto mediante laminado, fabricación u otros procesos mientras el producto está frío, pueden aumentar la resistencia del producto mediante un proceso denominado endurecimiento por deformación . El endurecimiento por deformación crea defectos microscópicos en el metal que resisten cambios de forma posteriores.
Los metales pueden ser tratados térmicamente para alterar sus propiedades de resistencia, ductilidad, tenacidad, dureza y resistencia a la corrosión. Los procesos de tratamiento térmico más comunes incluyen el recocido, el reforzamiento por precipitación , el temple y el revenido: [32]
A menudo, los tratamientos mecánicos y térmicos se combinan en lo que se conoce como tratamientos termomecánicos para obtener mejores propiedades y un procesamiento más eficiente de los materiales. Estos procesos son comunes para aceros especiales de alta aleación, superaleaciones y aleaciones de titanio.
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La galvanoplastia es una técnica de tratamiento químico de superficies. Consiste en unir una capa fina de otro metal, como oro , plata , cromo o cinc, a la superficie del producto. Esto se hace seleccionando la solución electrolítica del material de recubrimiento, que es el material que va a recubrir la pieza de trabajo (oro, plata, cinc). Es necesario que haya dos electrodos de materiales diferentes: uno del mismo material que el material de recubrimiento y otro que reciba el material de recubrimiento. Los dos electrodos se cargan eléctricamente y el material de recubrimiento se adhiere a la pieza de trabajo. Se utiliza para reducir la corrosión, así como para mejorar la apariencia estética del producto. También se utiliza para hacer que los metales baratos parezcan los más caros (oro, plata). [33]
El granallado es un proceso de trabajo en frío que se utiliza para el acabado de piezas metálicas. En el proceso de granallado, se proyectan granallas redondas y pequeñas contra la superficie de la pieza que se va a acabar. Este proceso se utiliza para prolongar la vida útil de la pieza, evitar fallos por corrosión bajo tensión y también prevenir la fatiga. La granalla deja pequeñas hendiduras en la superficie como lo hace un martillo, que provocan tensión de compresión debajo de la hendidura. A medida que la granalla golpea el material una y otra vez, forma muchas hendiduras superpuestas en toda la pieza que se está tratando. La tensión de compresión en la superficie del material fortalece la pieza y la hace más resistente a fallos por fatiga, fallos por tensión, fallos por corrosión y agrietamiento. [34]
Las técnicas de pulverización térmica son otra opción de acabado popular y, a menudo, tienen mejores propiedades a alta temperatura que los recubrimientos galvanizados. La pulverización térmica, también conocida como proceso de soldadura por pulverización, [35] es un proceso de recubrimiento industrial que consiste en una fuente de calor (llama u otro) y un material de recubrimiento que puede estar en forma de polvo o alambre, que se funde y luego se rocía sobre la superficie del material que se está tratando a alta velocidad. El proceso de tratamiento por pulverización se conoce con muchos nombres diferentes, como HVOF (combustible de oxígeno de alta velocidad), pulverización de plasma, pulverización de llama, pulverización de arco y metalización.
La deposición electrolítica (ED) o recubrimiento electrolítico se define como el proceso autocatalítico a través del cual se depositan metales y aleaciones metálicas sobre superficies no conductoras. Estas superficies no conductoras incluyen plásticos, cerámicas y vidrio, etc., que luego pueden volverse decorativas, anticorrosivas y conductoras según sus funciones finales. La deposición electrolítica es un proceso químico que crea recubrimientos metálicos sobre diversos materiales mediante la reducción química autocatalítica de cationes metálicos en un baño líquido.
Los metalúrgicos estudian la estructura microscópica y macroscópica de los metales utilizando metalografía , una técnica inventada por Henry Clifton Sorby .
En metalografía, una aleación de interés se muele hasta quedar plana y se pule hasta obtener un acabado de espejo. Luego, la muestra se puede grabar para revelar la microestructura y la macroestructura del metal. Luego, la muestra se examina en un microscopio óptico o electrónico y el contraste de la imagen brinda detalles sobre la composición, las propiedades mecánicas y el historial de procesamiento.
La cristalografía , que a menudo utiliza la difracción de rayos X o electrones , es otra herramienta valiosa de la que dispone el metalúrgico moderno. La cristalografía permite la identificación de materiales desconocidos y revela la estructura cristalina de la muestra. La cristalografía cuantitativa se puede utilizar para calcular la cantidad de fases presentes, así como el grado de tensión al que se ha sometido una muestra.
calidad técnica de la industria del cobre de los Cárpatos y los Balcanes eclipsan totalmente a la de cualquier otro centro de producción contemporáneo. Esto, junto con la fecha de su inicio a finales del sexto milenio, da un fuerte apoyo a la sugerencia de que el arte de la fundición del cobre se perfeccionó por primera vez en los Balcanes. La región también puede reivindicar ser la primera en producir oro, a partir de mediados del quinto milenio, quinientos años o más antes de que aparecieran los primeros objetos de oro en Oriente Próximo.
El área general de la Provincia Metalúrgica de los Cárpatos y los Balcanes (CBMP) equivalía aproximadamente a 1,5 millones de kilómetros cuadrados, que se extendían desde la cuenca del Danubio en el flanco occidental hasta la cuenca del Volga Medio y Bajo en el flanco oriental de esta provincia. Los rasgos más característicos de la CBMP son 1) la fundición y el martilleo de varias herramientas pesadas y armas hechas de cobre químicamente puro; 2) una gran cantidad de decoraciones y ornamentos de oro. La revolución metalúrgica y la formación de la CBMP surgieron independientemente de los centros del área protometálica [en Oriente Medio] donde en el quinto milenio a. C. continuó una producción limitada de artículos primitivos de cobre hechos a mano.
y las regiones adyacentes imitan fielmente las trayectorias metalúrgicas del cercano Oriente Medio. La metalurgia egipcia comenzó con el trabajo del cobre alrededor del año 4000 a. C. (p. 17). La evidencia más antigua de metalurgia en África proviene del delta del Nilo en Egipto y está asociada con la cultura Maadi, que data de entre el 4000 y el 3200 a. C. (p. 19)
