Una aleación es una mezcla de elementos químicos de los cuales al menos uno es un metal . A diferencia de los compuestos químicos con bases metálicas, una aleación conservará todas las propiedades de un metal en el material resultante, como conductividad eléctrica , ductilidad , opacidad y brillo , pero puede tener propiedades que difieren de las de los metales puros, como mayor fuerza o dureza. En algunos casos, una aleación puede reducir el costo total del material y al mismo tiempo preservar propiedades importantes. En otros casos, la mezcla imparte propiedades sinérgicas a los elementos metálicos constituyentes, como resistencia a la corrosión o resistencia mecánica.
En una aleación, los átomos están unidos mediante enlaces metálicos en lugar de enlaces covalentes que normalmente se encuentran en los compuestos químicos. [1] Los componentes de la aleación generalmente se miden en porcentaje de masa para aplicaciones prácticas y en fracción atómica para estudios de ciencias básicas. Las aleaciones suelen clasificarse como aleaciones sustitucionales o intersticiales , dependiendo de la disposición atómica que forma la aleación. Se pueden clasificar además en homogéneos (que constan de una sola fase), o heterogéneos (que constan de dos o más fases) o intermetálicos . Una aleación puede ser una solución sólida de elementos metálicos (una sola fase, donde todos los granos metálicos (cristales) tienen la misma composición) o una mezcla de fases metálicas (dos o más soluciones, formando una microestructura de diferentes cristales dentro del metal). .
Ejemplos de aleaciones incluyen oro rojo ( oro y cobre ), oro blanco (oro y plata ), plata esterlina (plata y cobre), acero o acero al silicio ( hierro con carbono no metálico o silicio respectivamente), soldadura , latón , peltre , duraluminio , bronce y amalgamas .
Las aleaciones se utilizan en una amplia variedad de aplicaciones, desde aleaciones de acero, utilizadas en todo, desde edificios hasta automóviles e instrumentos quirúrgicos, pasando por aleaciones exóticas de titanio utilizadas en la industria aeroespacial y aleaciones de berilio y cobre para herramientas antichispas.
Una aleación es una mezcla de elementos químicos , que forma una sustancia impura (mezcla) que conserva las características de un metal. Una aleación se diferencia de un metal impuro en que, con una aleación, los elementos agregados están bien controlados para producir propiedades deseables, mientras que los metales impuros como el hierro forjado están menos controlados, pero a menudo se consideran útiles. Las aleaciones se obtienen mezclando dos o más elementos, al menos uno de los cuales es un metal. Generalmente se le llama metal primario o metal base, y el nombre de este metal también puede ser el nombre de la aleación. Los otros constituyentes pueden ser metales o no, pero, cuando se mezclan con la base fundida, serán solubles y se disolverán en la mezcla. Las propiedades mecánicas de las aleaciones suelen ser bastante diferentes de las de sus constituyentes individuales. Un metal normalmente muy blando ( maleable ), como el aluminio , puede alterarse aleándolo con otro metal blando, como el cobre . Aunque ambos metales son muy blandos y dúctiles , la aleación de aluminio resultante tendrá mucha mayor resistencia . Agregar una pequeña cantidad de carbono no metálico al hierro cambia su gran ductilidad por la mayor resistencia de una aleación llamada acero. Debido a su muy alta resistencia, pero aún así una tenacidad sustancial , y su capacidad de ser alterado en gran medida mediante tratamiento térmico , el acero es una de las aleaciones más útiles y comunes en el uso moderno. Al agregar cromo al acero se puede mejorar su resistencia a la corrosión , creando acero inoxidable , mientras que agregar silicio alterará sus características eléctricas, produciendo acero al silicio .
Al igual que el aceite y el agua, es posible que un metal fundido no siempre se mezcle con otro elemento. Por ejemplo, el hierro puro es casi completamente insoluble en cobre. Incluso cuando los constituyentes son solubles, cada uno generalmente tendrá un punto de saturación , más allá del cual no se puede agregar más componente. El hierro, por ejemplo, puede contener un máximo de 6,67% de carbono. Aunque los elementos de una aleación normalmente deben ser solubles en estado líquido , es posible que no siempre lo sean en estado sólido . Si los metales permanecen solubles cuando están sólidos, la aleación forma una solución sólida , convirtiéndose en una estructura homogénea formada por cristales idénticos, llamada fase . Si a medida que la mezcla se enfría los componentes se vuelven insolubles, pueden separarse para formar dos o más tipos diferentes de cristales, creando una microestructura heterogénea de diferentes fases, algunas con más de un constituyente que el otro. Sin embargo, en otras aleaciones, es posible que los elementos insolubles no se separen hasta que se produzca la cristalización. Si se enfrían muy rápidamente, primero cristalizan como una fase homogénea, pero quedan sobresaturados con los componentes secundarios. Conforme pasa el tiempo, los átomos de estas aleaciones sobresaturadas pueden separarse de la red cristalina, volviéndose más estables, y formando una segunda fase que sirve para reforzar los cristales internamente.
Algunas aleaciones, como el electro , una aleación de plata y oro , se producen de forma natural. Los meteoritos a veces están hechos de aleaciones naturales de hierro y níquel , pero no son nativos de la Tierra. Una de las primeras aleaciones fabricadas por el hombre fue el bronce, que es una mezcla de los metales estaño y cobre. El bronce era una aleación extremadamente útil para los antiguos, porque es mucho más fuerte y duro que cualquiera de sus componentes. El acero era otra aleación común. Sin embargo, en la antigüedad, solo podía crearse como un subproducto accidental del calentamiento del mineral de hierro en el fuego ( fundición ) durante la fabricación del hierro. Otras aleaciones antiguas incluyen el peltre , el latón y el arrabio . En la era moderna, el acero se puede crear de muchas formas. El acero al carbono se puede fabricar variando únicamente el contenido de carbono, produciendo aleaciones blandas como el acero dulce o aleaciones duras como el acero para resortes . Los aceros aleados se pueden fabricar añadiendo otros elementos, como cromo , molibdeno , vanadio o níquel , dando como resultado aleaciones como el acero rápido o el acero para herramientas . Generalmente se alean pequeñas cantidades de manganeso con la mayoría de los aceros modernos debido a su capacidad para eliminar impurezas no deseadas, como fósforo , azufre y oxígeno , que pueden tener efectos perjudiciales en la aleación. Sin embargo, la mayoría de las aleaciones no se crearon hasta el siglo XX, como varias aleaciones de aluminio, titanio , níquel y magnesio . Algunas superaleaciones modernas , como incoloy , inconel y hastelloy , pueden consistir en multitud de elementos diferentes.
Una aleación es técnicamente un metal impuro, pero cuando se hace referencia a aleaciones, el término impurezas suele denotar elementos indeseables. Estas impurezas se introducen desde los metales base y los elementos de aleación, pero se eliminan durante el procesamiento. Por ejemplo, el azufre es una impureza común en el acero. El azufre se combina fácilmente con el hierro para formar sulfuro de hierro , que es muy frágil y crea puntos débiles en el acero. [2] El litio , el sodio y el calcio son impurezas comunes en las aleaciones de aluminio, que pueden tener efectos adversos sobre la integridad estructural de las piezas fundidas. Por el contrario, los metales puros que contienen impurezas no deseadas a menudo se denominan "metales impuros" y no suelen denominarse aleaciones. El oxígeno, presente en el aire, se combina fácilmente con la mayoría de los metales para formar óxidos metálicos ; especialmente a temperaturas más altas encontradas durante la aleación. A menudo se tiene mucho cuidado durante el proceso de aleación para eliminar el exceso de impurezas, utilizando fundentes , aditivos químicos u otros métodos de metalurgia extractiva . [3]
La aleación de un metal se realiza combinándolo con uno o más elementos. El proceso de aleación más común y antiguo se realiza calentando el metal base más allá de su punto de fusión y luego disolviendo los solutos en el líquido fundido, lo que puede ser posible incluso si el punto de fusión del soluto es mucho mayor que el de la base. Por ejemplo, en su estado líquido, el titanio es un disolvente muy fuerte capaz de disolver la mayoría de los metales y elementos. Además, absorbe fácilmente gases como el oxígeno y arde en presencia de nitrógeno. Esto aumenta la posibilidad de contaminación de cualquier superficie de contacto, por lo que debe fundirse en crisoles de cobre especiales refrigerados por agua y calentamiento por inducción al vacío . [4] Sin embargo, algunos metales y solutos, como el hierro y el carbono, tienen puntos de fusión muy altos y a los antiguos les resultaba imposible fundirlos. Por lo tanto, la aleación (en particular, la aleación intersticial) también se puede realizar con uno o más constituyentes en estado gaseoso, como los que se encuentran en un alto horno para fabricar arrabio (líquido-gas), nitruración , carbonitruración u otras formas de cementación. (sólido-gas), o el proceso de cementación utilizado para fabricar acero ampolla (sólido-gas). También se puede hacer con uno, más o todos los componentes en estado sólido, como los que se encuentran en los métodos antiguos de soldadura de patrón (sólido-sólido), acero de corte (sólido-sólido) o producción de acero al crisol (sólido-sólido). líquido), mezclando los elementos mediante difusión en estado sólido .
Al agregar otro elemento a un metal, las diferencias en el tamaño de los átomos crean tensiones internas en la red de los cristales metálicos; tensiones que muchas veces potencian sus propiedades. Por ejemplo, la combinación del carbono con el hierro produce acero, que es más resistente que el hierro, su elemento principal. La conductividad eléctrica y térmica de las aleaciones suele ser menor que la de los metales puros. Las propiedades físicas, como la densidad , la reactividad y el módulo de Young de una aleación, pueden no diferir mucho de las de su elemento base, pero las propiedades de ingeniería, como la resistencia a la tracción , [5] la ductilidad y la resistencia al corte , pueden ser sustancialmente diferentes de las de la aleación. materiales constituyentes. A veces, esto es resultado del tamaño de los átomos en la aleación, porque los átomos más grandes ejercen una fuerza de compresión sobre los átomos vecinos y los átomos más pequeños ejercen una fuerza de tracción sobre sus vecinos, lo que ayuda a que la aleación resista la deformación. A veces, las aleaciones pueden presentar marcadas diferencias de comportamiento incluso cuando están presentes pequeñas cantidades de un elemento. Por ejemplo, las impurezas en las aleaciones ferromagnéticas semiconductoras dan lugar a propiedades diferentes, como lo predijeron por primera vez White, Hogan, Suhl, Tian Abrie y Nakamura. [6] [7]
A diferencia de los metales puros, la mayoría de las aleaciones no tienen un único punto de fusión , sino un rango de fusión durante el cual el material es una mezcla de fases sólidas y líquidas (un granizado). La temperatura a la que comienza la fusión se llama solidus , y la temperatura cuando la fusión acaba de completarse se llama liquidus . Para muchas aleaciones existe una proporción de aleación particular (en algunos casos más de una), llamada mezcla eutéctica o composición peritéctica, que le da a la aleación un punto de fusión único y bajo, y sin transición líquido/sólido.
Los elementos de aleación se añaden a un metal base para inducir dureza , tenacidad , ductilidad u otras propiedades deseadas. La mayoría de los metales y aleaciones pueden endurecerse creando defectos en su estructura cristalina. Estos defectos se crean durante la deformación plástica al martillar, doblar, extruir, etc., y son permanentes a menos que el metal se recristalice . De lo contrario, algunas aleaciones también pueden ver alteradas sus propiedades mediante un tratamiento térmico . Casi todos los metales se pueden ablandar mediante recocido , que recristaliza la aleación y repara los defectos, pero no muchos se pueden endurecer mediante calentamiento y enfriamiento controlados. Muchas aleaciones de aluminio, cobre, magnesio , titanio y níquel pueden reforzarse hasta cierto punto mediante algún método de tratamiento térmico, pero pocas responden a esto en el mismo grado que el acero. [8]
El hierro, metal base de la aleación hierro-carbono conocida como acero, sufre un cambio en la disposición ( alotropía ) de los átomos de su matriz cristalina a una determinada temperatura (normalmente entre 820 °C (1.500 °F) y 870 °C ( 1.600 °F), dependiendo del contenido de carbono). Esto permite que los átomos de carbono más pequeños entren en los intersticios del cristal de hierro. Cuando ocurre esta difusión , se dice que los átomos de carbono están en solución en el hierro, formando una fase cristalina única, homogénea y particular llamada austenita . Si el acero se enfría lentamente, el carbono puede difundirse fuera del hierro y gradualmente volverá a su alótropo de baja temperatura. Durante el enfriamiento lento, los átomos de carbono ya no serán tan solubles con el hierro y se verán obligados a precipitar fuera de la solución, nucleándose en una forma más concentrada de carburo de hierro (Fe 3 C) en los espacios entre los cristales de hierro puro. El acero se vuelve entonces heterogéneo, al estar formado por dos fases, la fase hierro-carbono llamada cementita (o carburo ), y ferrita de hierro puro . Un tratamiento térmico de este tipo produce un acero bastante blando. Sin embargo, si el acero se enfría rápidamente, los átomos de carbono no tendrán tiempo de difundirse y precipitar como carburo, sino que quedarán atrapados dentro de los cristales de hierro. Cuando se enfría rápidamente, se produce una transformación sin difusión (martensita) , en la que los átomos de carbono quedan atrapados en la solución. Esto hace que los cristales de hierro se deformen a medida que la estructura cristalina intenta cambiar a su estado de baja temperatura, dejando esos cristales muy duros pero mucho menos dúctiles (más frágiles).
Si bien la alta resistencia del acero se obtiene cuando se evita la difusión y la precipitación (formando martensita), la mayoría de las aleaciones tratables térmicamente son aleaciones que endurecen por precipitación , que dependen de la difusión de los elementos de aleación para lograr su resistencia. Cuando se calientan para formar una solución y luego se enfrían rápidamente, estas aleaciones se vuelven mucho más blandas de lo normal durante la transformación sin difusión, pero luego se endurecen a medida que envejecen. Los solutos de estas aleaciones precipitarán con el tiempo, formando fases intermetálicas , que son difíciles de distinguir del metal base. A diferencia del acero, en el que la solución sólida se separa en diferentes fases cristalinas (carburo y ferrita), las aleaciones que endurecen por precipitación forman diferentes fases dentro del mismo cristal. Estas aleaciones intermetálicas parecen homogéneas en su estructura cristalina, pero tienden a comportarse de manera heterogénea, volviéndose duras y algo quebradizas. [8]
En 1906, Alfred Wilm descubrió las aleaciones que endurecen por precipitación . Las aleaciones de endurecimiento por precipitación, como ciertas aleaciones de aluminio, titanio y cobre, son aleaciones tratables térmicamente que se ablandan cuando se templan (se enfrían rápidamente) y luego se endurecen con el tiempo. Wilm había estado buscando una manera de endurecer aleaciones de aluminio para usarlas en casquillos de cartuchos de ametralladoras. Sabiendo que las aleaciones de aluminio y cobre se podían tratar térmicamente hasta cierto punto, Wilm intentó templar una aleación ternaria de aluminio, cobre y agregar magnesio, pero inicialmente quedó decepcionado con los resultados. Sin embargo, cuando Wilm volvió a probarla al día siguiente, descubrió que la aleación aumentaba en dureza cuando se dejaba envejecer a temperatura ambiente y superó con creces sus expectativas. Aunque no se proporcionó una explicación para el fenómeno hasta 1919, el duraluminio fue una de las primeras aleaciones "endurecibles" utilizadas, convirtiéndose en el principal material de construcción de los primeros zepelines , y pronto fue seguido por muchos otros. [9] Debido a que a menudo exhiben una combinación de alta resistencia y bajo peso, estas aleaciones se utilizaron ampliamente en muchas formas de industria, incluida la construcción de aviones modernos . [10]
Cuando un metal fundido se mezcla con otra sustancia, existen dos mecanismos que pueden provocar la formación de una aleación, llamados intercambio atómico y mecanismo intersticial . El tamaño relativo de cada elemento de la mezcla juega un papel principal a la hora de determinar qué mecanismo se producirá. Cuando los átomos son relativamente similares en tamaño, suele ocurrir el método de intercambio de átomos, donde algunos de los átomos que componen los cristales metálicos se sustituyen por átomos del otro constituyente. Esto se llama aleación sustitutiva . Ejemplos de aleaciones de sustitución incluyen bronce y latón, en los que algunos de los átomos de cobre están sustituidos con átomos de estaño o zinc, respectivamente.
En el caso del mecanismo intersticial, un átomo suele ser mucho más pequeño que el otro y no puede sustituir con éxito al otro tipo de átomo en los cristales del metal base. En cambio, los átomos más pequeños quedan atrapados en los sitios intersticiales entre los átomos de la matriz cristalina. Esto se conoce como aleación intersticial . El acero es un ejemplo de aleación intersticial, porque los átomos de carbono muy pequeños encajan en los intersticios de la matriz de hierro.
El acero inoxidable es un ejemplo de una combinación de aleaciones intersticiales y sustitutivas, porque los átomos de carbono encajan en los intersticios, pero algunos de los átomos de hierro son sustituidos por átomos de níquel y cromo. [8]
El uso de aleaciones por parte de los humanos comenzó con el uso de hierro meteórico , una aleación natural de níquel y hierro. Es el principal constituyente de los meteoritos de hierro . Como no se utilizaron procesos metalúrgicos para separar el hierro del níquel, la aleación se utilizó tal como estaba. [11] El hierro meteórico podría forjarse a partir de calor rojo para fabricar objetos como herramientas, armas y clavos. En muchas culturas se le daba forma martillando en frío para convertirlo en cuchillos y puntas de flecha. A menudo se utilizaban como yunques. El hierro meteórico era muy raro y valioso, y difícil de trabajar para los antiguos . [12]
El hierro suele encontrarse como mineral de hierro en la Tierra, excepto en un depósito de hierro nativo en Groenlandia , que fue utilizado por los inuit . [13] Sin embargo, el cobre nativo se encontró en todo el mundo, junto con la plata, el oro y el platino , que también se utilizaron para fabricar herramientas, joyas y otros objetos desde el Neolítico. El cobre era el más duro de estos metales y el de mayor distribución. Se convirtió en uno de los metales más importantes para los antiguos. Hace unos 10.000 años, en las tierras altas de Anatolia (Turquía), los humanos aprendieron a fundir metales como el cobre y el estaño a partir de minerales . Alrededor del año 2500 a. C., la gente comenzó a alear los dos metales para formar bronce, que era mucho más duro que sus ingredientes. Sin embargo, el estaño era raro y se encontraba principalmente en Gran Bretaña. En el Medio Oriente, la gente comenzó a alear cobre con zinc para formar latón. [14] Las civilizaciones antiguas tenían en cuenta la mezcla y las diversas propiedades que producía, como dureza , tenacidad y punto de fusión, en diversas condiciones de temperatura y endurecimiento por trabajo , desarrollando gran parte de la información contenida en los diagramas de fases de las aleaciones modernas . [15] Por ejemplo, las puntas de flecha de la dinastía china Qin (alrededor de 200 a. C.) a menudo se construían con una cabeza de bronce duro, pero con una espiga de bronce más suave, combinando las aleaciones para evitar que se emboten y se rompan durante el uso. [dieciséis]
El mercurio se ha fundido a partir del cinabrio durante miles de años. El mercurio disuelve muchos metales, como el oro, la plata y el estaño, para formar amalgamas (una aleación en forma de pasta blanda o líquida a temperatura ambiente). Las amalgamas se utilizan desde el año 200 a. C. en China para dorar objetos como armaduras y espejos con metales preciosos. Los antiguos romanos utilizaban a menudo amalgamas de mercurio y estaño para dorar sus armaduras. La amalgama se aplicaba como una pasta y luego se calentaba hasta que el mercurio se vaporizaba, dejando atrás el oro, la plata o el estaño. [17] El mercurio se utilizaba a menudo en la minería para extraer metales preciosos como el oro y la plata de sus minerales. [18]
Muchas civilizaciones antiguas aleaban metales con fines puramente estéticos. En el antiguo Egipto y Micenas , el oro se aleaba a menudo con cobre para producir oro rojo, o con hierro para producir un oro burdeos brillante. El oro se encontraba a menudo aleado con plata u otros metales para producir varios tipos de oro coloreado . Estos metales también se utilizaban para reforzarse entre sí, con fines más prácticos. A menudo se agregaba cobre a la plata para hacer plata esterlina , aumentando su resistencia para su uso en platos, cubiertos y otros artículos prácticos. Muy a menudo, los metales preciosos se mezclaban con sustancias menos valiosas para engañar a los compradores. [19] Alrededor del 250 a. C., el rey de Siracusa encargó a Arquímedes que encontrara una forma de comprobar la pureza del oro de una corona, lo que provocó el famoso grito en la casa de baños de "¡Eureka!" tras el descubrimiento del principio de Arquímedes . [20]
El término peltre abarca una variedad de aleaciones compuestas principalmente de estaño. Como metal puro, el estaño es demasiado blando para utilizarlo en la mayoría de los fines prácticos. Sin embargo, durante la Edad del Bronce , el estaño era un metal raro en muchas partes de Europa y el Mediterráneo, por lo que a menudo se valoraba más que el oro. Para fabricar joyas, cubiertos u otros objetos con estaño, los trabajadores solían alearlo con otros metales para aumentar su resistencia y dureza. Estos metales eran típicamente plomo , antimonio , bismuto o cobre. Estos solutos a veces se añadían individualmente en cantidades variables, o se sumaban juntos, formando una amplia variedad de objetos, que iban desde artículos prácticos como platos, herramientas quirúrgicas, candelabros o embudos, hasta artículos decorativos como aretes y pinzas para el cabello.
Los primeros ejemplos de peltre provienen del antiguo Egipto, alrededor del 1450 a.C. El uso del peltre estaba muy extendido por toda Europa, desde Francia hasta Noruega y Gran Bretaña (donde se extraía la mayor parte del estaño antiguo) hasta el Cercano Oriente. [21] La aleación también se utilizó en China y el Lejano Oriente, y llegó a Japón alrededor del año 800 d.C., donde se utilizó para fabricar objetos como vasijas ceremoniales, botes de té o cálices utilizados en santuarios sintoístas . [22]
La primera fundición de hierro conocida comenzó en Anatolia , alrededor del año 1800 a.C. Llamado proceso de floración , produjo hierro forjado muy suave pero dúctil . Hacia el año 800 a.C., la tecnología de fabricación de hierro se había extendido a Europa y llegó a Japón alrededor del año 700 d.C. El arrabio , una aleación muy dura pero frágil de hierro y carbono, se producía en China ya en el año 1200 a. C., pero no llegó a Europa hasta la Edad Media. El arrabio tiene un punto de fusión más bajo que el hierro y se utilizaba para fabricar hierro fundido . Sin embargo, estos metales encontraron poco uso práctico hasta la introducción del acero de crisol alrededor del año 300 a.C. Estos aceros eran de mala calidad, y la introducción de la soldadura por patrones , alrededor del siglo I d.C., buscó equilibrar las propiedades extremas de las aleaciones laminándolas, para crear un metal más resistente. Alrededor del año 700 d.C., los japoneses comenzaron a doblar acero y hierro fundido en capas alternas para aumentar la resistencia de sus espadas, utilizando fundentes de arcilla para eliminar escorias e impurezas. Este método de fabricación de espadas japonés produjo una de las aleaciones de acero más puras del mundo antiguo. [15]
Si bien el uso del hierro comenzó a generalizarse alrededor del año 1200 a. C., principalmente debido a las interrupciones en las rutas comerciales del estaño, el metal era mucho más blando que el bronce. Sin embargo, cantidades muy pequeñas de acero (una aleación de hierro y alrededor del 1% de carbono) siempre fueron un subproducto del proceso de floración. La capacidad de modificar la dureza del acero mediante tratamiento térmico se conocía desde el año 1100 a. C., y este raro material era valorado para la fabricación de herramientas y armas. Debido a que los antiguos no podían producir temperaturas lo suficientemente altas como para fundir completamente el hierro, la producción de acero en cantidades decentes no se produjo hasta la introducción del acero ampolla durante la Edad Media. Este método introdujo carbono calentando hierro forjado en carbón vegetal durante largos períodos de tiempo, pero la absorción de carbono de esta manera es extremadamente lenta, por lo que la penetración no fue muy profunda y la aleación no era homogénea. En 1740, Benjamin Huntsman comenzó a fundir acero blíster en un crisol para igualar el contenido de carbono, creando el primer proceso para la producción en masa de acero para herramientas . El proceso de Huntsman se utilizó para fabricar acero para herramientas hasta principios del siglo XX. [23]
La introducción del alto horno en Europa en la Edad Media significó que la gente podía producir arrabio en volúmenes mucho mayores que el hierro forjado. Debido a que el arrabio se podía fundir, la gente comenzó a desarrollar procesos para reducir el carbono en el arrabio líquido para crear acero. El charco se había utilizado en China desde el siglo I y se introdujo en Europa durante el siglo XVIII, donde el arrabio fundido se agitaba mientras se exponía al aire para eliminar el carbono por oxidación . En 1858, Henry Bessemer desarrolló un proceso de fabricación de acero soplando aire caliente a través de arrabio líquido para reducir el contenido de carbono. El proceso Bessemer condujo a la primera fabricación de acero a gran escala. [23]
El acero es una aleación de hierro y carbono, pero el término acero aleado generalmente solo se refiere a aceros que contienen otros elementos, como vanadio , molibdeno o cobalto , en cantidades suficientes para alterar las propiedades del acero base. Desde la antigüedad, cuando el acero se utilizaba principalmente para herramientas y armas, los métodos de producción y trabajo del metal eran a menudo secretos celosamente guardados. Incluso mucho después del Siglo de las Luces , la industria del acero era muy competitiva y los fabricantes hicieron todo lo posible para mantener la confidencialidad de sus procesos, resistiéndose a cualquier intento de analizar científicamente el material por temor a que revelara sus métodos. Por ejemplo, se sabía que la gente de Sheffield , un centro de producción de acero en Inglaterra, rutinariamente prohibía la entrada a la ciudad a visitantes y turistas para disuadir el espionaje industrial . Por lo tanto, casi no existió información metalúrgica sobre el acero hasta 1860. Debido a esta falta de comprensión, el acero no se consideró generalmente una aleación hasta las décadas comprendidas entre 1930 y 1970 (principalmente debido al trabajo de científicos como William Chandler Roberts-Austen , Adolf Martens , y Edgar Bain ), por lo que "acero aleado" se convirtió en el término popular para las aleaciones de acero ternarias y cuaternarias. [24] [25]
Después de que Benjamin Huntsman desarrollara su acero para crisol en 1740, comenzó a experimentar con la adición de elementos como el manganeso (en forma de un arrabio con alto contenido de manganeso llamado spiegeleisen ), que ayudaba a eliminar impurezas como el fósforo y el oxígeno; un proceso adoptado por Bessemer y todavía utilizado en aceros modernos (aunque en concentraciones lo suficientemente bajas como para seguir considerándose acero al carbono). [26] Posteriormente, muchas personas comenzaron a experimentar con varias aleaciones de acero sin mucho éxito. Sin embargo, en 1882, Robert Hadfield , pionero en la metalurgia del acero, se interesó y produjo una aleación de acero que contenía alrededor de un 12% de manganeso. Llamado mangalloy , exhibió extrema dureza y tenacidad, convirtiéndose en la primera aleación de acero comercialmente viable. [27] Posteriormente, creó el acero al silicio, iniciando la búsqueda de otras posibles aleaciones de acero. [28]
Robert Forester Mushet descubrió que añadiendo tungsteno al acero se podía producir un borde muy duro que resistiría la pérdida de dureza a altas temperaturas. El "acero especial de R. Mushet" (RMS) se convirtió en el primer acero rápido . [29] El acero de Mushet fue rápidamente reemplazado por acero de carburo de tungsteno , desarrollado por Taylor y White en 1900, en el que duplicaron el contenido de tungsteno y agregaron pequeñas cantidades de cromo y vanadio, produciendo un acero superior para su uso en tornos y herramientas de mecanizado. En 1903, los hermanos Wright utilizaron un acero al cromo-níquel para fabricar el cigüeñal de su motor de avión, mientras que en 1908 Henry Ford comenzó a utilizar aceros de vanadio para piezas como cigüeñales y válvulas en su Ford Modelo T , debido a su mayor resistencia y resistencia a la corrosión. altas temperaturas. [30] En 1912, Krupp Ironworks en Alemania desarrolló un acero resistente a la oxidación añadiendo un 21% de cromo y un 7% de níquel, produciendo el primer acero inoxidable. [31]
Debido a su alta reactividad, la mayoría de los metales no fueron descubiertos hasta el siglo XIX. Humphry Davy propuso un método para extraer aluminio de la bauxita en 1807, utilizando un arco eléctrico . Aunque sus intentos no tuvieron éxito, en 1855 llegaron al mercado las primeras ventas de aluminio puro. Sin embargo, como la metalurgia extractiva aún estaba en su infancia, la mayoría de los procesos de extracción de aluminio produjeron aleaciones no deseadas contaminadas con otros elementos encontrados en el mineral; el más abundante de los cuales era el cobre. Estas aleaciones de aluminio y cobre (en ese momento denominadas "bronce de aluminio") precedieron al aluminio puro, ofreciendo mayor resistencia y dureza que el metal puro y blando, y hasta cierto punto se descubrió que eran tratables térmicamente. [32] Sin embargo, debido a su suavidad y templabilidad limitada, estas aleaciones encontraron poco uso práctico y eran más una novedad, hasta que los hermanos Wright usaron una aleación de aluminio para construir el primer motor de avión en 1903. [30] Durante el tiempo entre Entre 1865 y 1910 se descubrieron procesos para extraer muchos otros metales, como cromo, vanadio, tungsteno, iridio , cobalto y molibdeno, y se desarrollaron diversas aleaciones. [33]
Antes de 1910, la investigación consistía principalmente en trabajos de particulares en sus propios laboratorios. Sin embargo, a medida que las industrias aeronáutica y automotriz comenzaron a crecer, la investigación sobre aleaciones se convirtió en un esfuerzo industrial en los años posteriores a 1910, cuando se desarrollaron nuevas aleaciones de magnesio para pistones y ruedas de automóviles, y ollas de metal para palancas y perillas, y aleaciones de aluminio para automóviles. Se pusieron en uso fuselajes y revestimientos de aviones . [30]
