MATERIALES PARA INGENIERIA

1. EL ALUMINIO

Es uno de los elementos metálicos más abundantes de la corteza terrestre(8,13%). La única mena del aluminio es la bauxita, que es un óxido hidratado de aluminio mezclado con óxido de hierro y otros materiales. Puede llegar a contener un 65% de riqueza.

PROCESO DE OBTENCIÓN

Se convierte en polvo la bauxita mediante un proceso de molienda. Después se mezcla con cal,sosa cáustica y vapor de agua sobrecalentado, de este modo se produce una disolución.

Se eliminan las impurezas por decantación. A continuación se añade agua a la disolución para provocar la precipitación del óxido de aluminio y separarlo de la sosa. El producto obtenido es la alúmina. Esta se somete a um proceso de calcinación para eliminar el exceso de agua.

La alúmina se funde con criolita y se somete a un proceso electrolítico que separa el aluminio del oxígeno. El oxígeno forna monóxido y dióxido de carbono y se desprende mientras el aluminio puro va depositándose en el fondo de la cuba, de la que se extrae por medio de una cuchara. Este proceso consume mucha energía.

CARACTERÍSTICAS

Es un metal plateado, blando, de baja densidad, su conductividad eléctrica es alta, es muy dúctil y maleable. Puede ser laminado en frío o en caliente y se obtienen tubos, barras e hilos. Al contacto con el aire se cubre rápidamente con una capa dura y transparente de óxido de aluminio que resiste la posterior acción corrosiva, Es por esto, por lo que los materiales hechos de aluminio no se oxidan.

Puede aumentarse su resistencia mediante el anodizado. Consiste en utilizar al aluminio como ánodo en una cuba electrolítica y así se consigue un película muy fina que lo protege de la corrosión.

Es difícil de soldar, por la capa de óxido. Para conseguirlo hay que utilizar una pistola de soldadura eléctrica.

APLICACIONES

Como es muy blando se alea con otros metales para su uso industrial, obteniendo las aleaciones ligeras. Son más duras, tienen mayor resistencia mecánica y facilidad para el mecanizado.

Duraluminio: 95.5% de aluminio y 4.5% de cobre. Se emplea en construcción.

Aluminio-Magnesio: Se utiliza en la industria aeronáutica y naval, en la fabricación de automóviles y bicicletas.

Aluminio-silicio: Se utiliza en la construcción de motores.

Alnico: Níquel, cobalto y aluminio. Se fabrica con él imanes permanentes.

Por su baja densidad y su conductividad relativamente alta se utiliza como sustituto del cinc en cables de conducción eléctrica de gran longitud.

También es utilizado para fabricar utensilios de cocina.

Sus compuestos más comunes son silicatos de magnesio y cloruros de magnesio.

PROCESO DE OBTENCIÓN

Se obtiene por dos procedimientos: tratamiento térmico y electrólisis. El tratamiento térmico consiste en someterlos a elevadas temperaturas en un horno eléctrico junto con agentes reductores de oxígeno. Así se libera el magnesio metálico.

La electrólisis se aplica al cloruro de magnesio fundido, se coloca en una cuba que hace de cátodo y se introduce una barra de carbón que hace de ánodo. El magnesio liberado en estado de fusión, como es menos denso que el cloruro queda flotando, se retira por medio de la cuchara y se vierte en moldes.

CARACTERÍSTICAS

De color blanco brillante, ligero, blando, maleable y poco dútil. La humedad lo corroe. Tiene gran afinidad por el oxígeno y reacciona rápidamente cuando está pulverizado.

APLICACIONES DEL MAGNESIO

Se emplea en lámparas relámpago y en pirotecnia por su combustión casi explosiva. Se usa como reductor para obtener otros metales.

Forma aleaciones ultraligeras por su densidad extraordinariamente baja. Se utilizan en la fabricación de bicicletas, automóviles y motocicletas de competición.

Según su composición la aleaciones se clasifican en: aleaciones para fundición y aleaciones para forja

Ya conocido en épocas prehistóricas ya que las primeras herramientas y enseres fueron fabricados probablemente en diversos minerales, como cuprita, calcopirita y malaquita pero también puede encontrarse en estado puro.

Cuprita: Compuesta básicamente por óxido de cobre. Se presenta en masas terrosas de color rojo. Contiene un 88% de riqueza, pero es muy escasa.

Calcopirita: Sulfuro mixto de hierro y cobre.De color amarillento. Es la principal mena del cobre.

Malaquita: Mezcla de carbonato y óxido de cobre. Se presenta en masa cristalinas de color azul y es muy buena mena de cobre.

Cobre puro: Es un metal pardo rojizo. Escaso y suele encontrarse en el fondo de algunos yacimientos de otros minerales de cobre.

PROCESO DE OBTENCIÓN

Se utilizan dos técnicas: la vía húmeda y la vía seca dependiendo de la riqueza de los minerales empleados.

Obtención del cobre por vía seca:

Se tritura y muele el mineral para reducirlo a polvo.A continuación se introduce en la cámara de flotación en la que el cobre se concentra en la superficie y la ganga se hunde.

Después se somete a un proceso de tostación para eliminar el azufre y formar óxidos de hierro y de cobre.

El óxido de cobre se intoduce en un horno de reverbero para cocinarlo y eliminar las impurezas.

El sulfuro de cobre se somete a un proceso de reducción y se obtiene el cobre bruto mezclado con algo de óxido de cobre.

En la fase térmica el cobre bruto se introduce en hornos de afino en los que se reduce el óxido de cobre residual, mediante gas natural. El cobre que sale del convertidor se vierte en moldes especiales para obtener planchas que serán utilizados como ánodo en la cuba electólica.

En la fase electólica se produce el afino final. El ánodo procede de los moldes de la fase anterior y el cátodo está formado por planchas de cobre puro.

De este modo se consigue cobre electolítico con una pureza superior el 99,85%.

CARACTERÍSTICAS Y APLICACIONES

El cobre es un metal de color rojizo, relativamente blando, de conductividad eléctrica y térmica muy elevada, dúctil y maleable.

Su elevada conductividad eléctica y su ductilidad lo hacen indicado para la fabricación de cables eléctricos y bobinados.

Como el agua y el aire no lo atacan a ninguna temperatura se suele utilizar para fabricar tubos y calderas.

Es poco resistente a los agentes atmosféricos, se recubre de una capa de carbonato llamada cardenillo que la protege de la oxidación posterior.

Es medianamente resistente a la agresión de los ácidos .

4. EL ESTAÑO

Se conoce desde la antigüedad pero se consideraba una variante del plomo. Se extrae básicamente de la casiterita, que es un óxido de estaño pero su riqueza en estaño es muy baja.

PROCESO DE OBTENCIÓN

Es necesario concentrarlo por su baja riqueza. Para ello se tritura y se lava. Después se somete a un proceso de tostación para eliminar los sulfuros. A continuación se reduce en un horno de reverbero, usando antracita. Se moldea en bloques.

El proceso de afino se lleva a cabo en una cuba electrólitica, el ánodo está formado por planchas de estaño bruto y el cátodo por láminas de estaño puro.

CARACTERÍSTICAS.

De color blanco brillante, muy blando de estructura cristalina, poco dúctil pero maleable. Su estructura cristalina se pone de manifiesto al doblar una barra ya que se escucha el rozamiento de cristales entre si.

Puede ser laminado, es estable y resistente a los agentes atmosféricos pero puede ser atacado por ácidos y productos alcalinos.

APLICACIONES DEL ESTAÑO

El papel de estaño no se utiliza por su elevado coste . Se usa para recubrimiento electrolítico de otros metales por su resistencia a la oxidación.

Es un elemento imprescindible en las aleaciones:

Bronces: proporción inferior al 25%

Metal blando: Se utiliza en la fabricación de cojinetes.

Aleaciones fusibles y soldadura blanda: Formada a base de estaño y plomo.

5. EL NÍQUEL

Era conocido en la antigüedad pero su aprovechamiento industrial se produjo a partir del S.XIX. La mena del níquel es la niquelina mezcla de sulfuros de hierro, níquel y cobre y la garnierita un silicato hidratado de níqul y magnesio. Su riqueza es del 6%.

PROCESO DE OBTENCIÓN

Similar al cobre. Se tritura y muele el mineral y se separan los sulfuros por flotación, después se tuesta hasta obtener óxido de níquel, se reduce con carbono y se afina por métodos electrolíticos, utilizando de ánodo el níquel impuro y de cátodo el níquel puro.

CARACTERÍSTICAS

De color blanco brillante, medianamente duro, tenaz, maleable y dúctil. Es muy resistente a la corrosión de los agentes atmosféricos, de los ñácidos y las substancias alcalinas.

APLICACIONES DEL NÍQUEL

Por su resistencia a la corrosión se emplea para el revestimiento electrolítico de chapas de acero dulce(niquelado) Es muy raro encontrarlo en estado puro, son más frecuentes las aleaciones de carácter inoxidable.

Clasificación de las aleaciones que contienen níquel según su riqueza:

Alto porcentaje en níquel: hasta un 80%. Son el nicrom usado para fabricar resistencias electricas por su resisterncia y el invar usado en relojería.

Bajo contenido en níquel: No supera el 15%. Se suele alear con hierro y acero para mejorar sus características y facilitar los tratamientos de templado.

Los materiales que se obtienen se utilizan para fabricar utensilios de cocina, material quirúrgico y de laboratorio y acumuladores de energía

5. EL CROMO

Cromo, de símbolo Cr, es un elemento metálico de color gris, que puede presentar un intenso brillo. Es uno de los elementos de transición (grupo de elementos químicos que comparten estructuras orbitales electrónicas similares y por tanto tienen las mismas propiedades químicas) del sistema periódico y su número atómico es 24

CARACTERÍSTICAS.

 Este elemento fue descubierto en 1,797 por el químico francés Louis Nicolas Vauquelin, que lo denominó cromo (del griego chroma, 'color') debido a los múltiples colores de sus compuestos. El cromo es un elemento común y ocupa el lugar 21 en abundancia entre los elementos de la corteza terrestre. Su masa atómica es 51,996; su punto de fusión es de 1.857 °C, y su punto de ebullición de 2.672 °C y su densidad 7,2 g/cm3.

El cromo puede reemplazar en parte al aluminio o al hierro en muchos minerales a los que da sus exclusivos colores. Muchas de las gemas preciosas deben su color a la presencia de compuestos de cromo. Los minerales aptos para su posterior manipulación son poco comunes; la cromita (FeCr2O4) es el más importante.

En las sales crómicas y en la cromita, el cromo tiene una valencia de +3. La mayoría de estos compuestos son de color verde, pero algunos son de color rojo o azul. El óxido de cromo (III) (Cr2O3) es un sólido verde. En cromatos y dicromatos, el cromo tiene una valencia de +6. El dicromato de potasio (K2Cr2O7) es un sólido rojo, soluble en agua; el cromato de plomo (PbCrO4) es un sólido insoluble, muy usado como pigmento, llamado amarillo de cromo. El verde cromo es una mezcla de amarillo de cromo y azul prusia.

APLICACIONES DEL CROMO

Más de la mitad de la producción total de cromo se destina a productos metálicos, y una tercera parte es empleada en refractantes. El cromo está presente en diversos catalizadores importantes. Principalmente se utiliza en la creación de aleaciones de hierro, níquel o cobalto. Al añadir el cromo se consigue aumentar la dureza y la resistencia a la corrosión de la aleación. En los aceros inoxidables, constituye el 10% de la composición final. Debido a su dureza, la aleación de cromo, cobalto y wolframio se emplea para herramientas de corte rápido de metales. Al depositarse electrolíticamente, el cromo proporciona un acabado brillante y resistente a la corrosión. Debido a ello se emplea a gran escala en el acabado de vehículos. El amplio uso de la cromita como refractante se debe a su alto punto de fusión, su moderada dilatación térmica y la estabilidad de su estructura cristalina.

6. EL MOLIBDENO

Es un elemento metálico con propiedades químicas similares a las del cromo. Es uno de los elementos de transición del sistema periódico. El número atómico del molibdeno es 42.

Fue descubierto en 1778 por el químico sueco Karl Wilhelm Scheele. Es un metal blanco plateado, duro y maleable. El molibdeno se disuelve en ácido nítrico y agua regia, y es atacado por los álcalis fundidos. El aire no lo ataca a temperaturas normales, pero arde a temperaturas por encima de los 600 °C formando óxido de molibdeno. El molibdeno tiene un punto de fusión de unos 2.610 °C, un punto de ebullición de unos 5.560 °C, y una densidad relativa de 10,2. Su masa atómica es 95,94.

CARACTERÍSTICAS.

El molibdeno no existe libre en la naturaleza, sino en forma de minerales, siendo los más importantes la molibdenita y la wulfenita. Ocupa el lugar 56 en abundancia entre los elementos de la corteza terrestre y es un oligoelemento importante del suelo, donde contribuye al crecimiento de las plantas.

APLICACIONES DEL MOLIBDENO

El metal se usa principalmente en aleaciones con acero. Esta aleación soporta altas temperaturas y presiones y es muy resistente, por lo que se utiliza en la construcción, para hacer piezas de aviones y piezas forjadas de automóviles. El alambre de molibdeno se usa en tubos electrónicos, y el metal sirve también como electrodo en los hornos de vidrio. El sulfuro de molibdeno se usa como lubricante en medios que requieren altas temperaturas. Casi los dos tercios del suministro mundial del metal se obtienen como un subproducto en las excavaciones de cobre. Estados Unidos es el primer productor, seguido de Canadá.

7. EL ORO

El oro es un metal de transición blando, brillante, amarillo, pesado, maleable, dúctil (trivalente y univalente) que no reacciona con la mayoría de productos químicos, pero es sensible al cloro y al agua regia. El metal se encuentra normalmente es estado puro y en forma de pepitas y depósitos aluviales y es uno de los metales tradicionalmente empleados para acuñar monedas. El oro se emplea como estándar monetario para muchas naciones y también se utiliza en la joyería, la industria y la electrónica.

CARACTERÍSTICAS.

El oro es un elemento metálico que exhibe un color amarillo en bruto, pero que puede mostrarse negro, rubí o morado en divisiones finas. Es considerado por algunos como el elemento más bello de todos y es el metal más maleable y dúctil que se conoce. De hecho, una onza (28,35 g) de oro puede moldearse en una sábana que cubra 28 metros cuadrados. Como es un metal blando, las aleaciones con otros metales con el fin de proporcionarle dureza son frecuentes.

Se trata de un metal muy denso, con un alto punto de fusión y una alta afinidad electrónica. Sus estados de oxidación más importantes son +1 y +3. También se encuentra en el estado de oxidación +2, así como en estados de oxidación superiores, pero es menos frecuente.

Además, el oro es un buen conductor del calor y de la electricidad, y no le afecta el aire ni la mayoría de agentes químicos. Tiene una alta resistencia a la alteración química por parte del calor, la humedad y la mayoría de los agentes corrosivos, y así está bien adaptado a su uso en la acuñación de monedas y en la joyería.

APLICACIONES DEL ORO

El oro puro es demasiado blando para ser usado normalmente y se endurece aleándolo con plata y cobre. El oro y sus muchas aleaciones se emplean bastante en joyería, fabricación de monedas y como patrón monetario en muchos países. Debido a su buena conductividad eléctrica y resistencia a la corrosión, así como una buena combinación de propiedades químicas y físicas, se comenzó a emplear a finales del siglo XX como metal en la industria.

PROCESO DE OBTENCIÓN

Debido a que es relativamente inerte, se suele encontrar como metal, a veces como pepitas grandes, pero generalmente se encuentra en pequeñas inclusiones en algunos minerales, vetas de cuarzo, pizarra, rocas metamórficas y depósitos aluviales originados de estas fuentes. El oro está ampliamente distribuido y a menudo se encuentra asociado a los minerales cuarzo y pirita, y se combina con teluro en los minerales calaverita, silvanita y otros. Sudáfrica es el principal productor de oro cubriendo aproximadamente dos tercios de la demanda global de oro.

El oro se extrae por lixiviación con cianuro. El uso del cianuro facilita la oxidación del oro formándose Au(CN)22- en la disolución. Para separar el oro se vuelve a reducir empleando, por ejemplo, zinc. Se ha intentado reemplazar el cianuro por algún otro ligando debido a los problemas medioambientales que genera, pero o no son rentables o también son tóxicos.

Hay una gran cantidad de oro en los mares y océanos, siendo su concentración de entre 0,1 µg/kg y 2 µg/kg, pero en este caso no hay ningún método rentable para obtenerlo.

La plata es un elemento químico de número atómico 47 situado en el grupo 11 de la tabla periódica de los elementos. Su símbolo es Ag. Es un metal de transición blanco y brillante. Presenta las mayores conductividades térmica y eléctrica de todos los metales, y se encuentra formando parte de distintos minerales (generalmente en forma de sulfuro) o como plata libre. Entre sus variadas aplicaciones, este metal se emplea en la fabricación de monedas, joyería, como catalizador, etc., y algunas de sus sales en fotografía.

CARACTERÍSTICAS.

La plata es un metal de acuñar muy dúctil y maleable, algo más duro que el oro, que presenta un brillo blanco metálico. Presenta la más alta conductividad eléctrica de todos los metales, incluso superior a la del cobre, pero su mayor coste ha impedido que reempleace a éste en aplicaciones eléctricas. La plata pura también presenta la mayor conductividad térmica, el color más blanco y el mayor índice de reflexión (aunque refleja mal la luz ultravioleta) de todos los metales. Algunas sales de plata son fotosensibles (se descomponen por acción de la luz) y se han empleado en fotografía. Se disuelve en ácidos oxidantes, y puede presentar los estados de oxidación +1, +2 y +3, siendo el más común el estado de oxidación +1.