8.1 Obtenció dels metalls
Actualment la indústria utilitza, a més de ferro i l'acer, altres metalls i aliatges. És molt estrany trobar a la natura metalls en estat pur. Només uns pocs -com l'or o el coure- es poden trobar purs però en quantitats molt petites. Aquestes mostres es coneixen amb l'adjectiu nadiu. Així doncs, parlem de coure nadiu o d'or nadiu quan aquests metalls es troben en estat pur a la natura.
A la mina:
mineral = mena + ganga
(bauxita = Al2O3 + altres) + (argiles, altres roques...)
 |
Procés metal·lúrgic de l'alumini
 |
Metall alumini industrial (Al)
 |
Els processos metal·lúrgics tenen algunes accions en comú:
Enriquiment del mineral
L'enriquiment del mineral consisteix a preparar el producte obtingut a la mina per a l'aplicació de les accions posteriors. Normalment es realitzen els accions següents:
· La trituració: reducció per mitjans mecànics de la grandària de les roques. L'objectiu és incrementar la superfície de la mena i la ganga per mitjans físics, és a dir, sense que hi hagi reaccions químiques.
· La concentració: separació de la mena i la ganga per mitjans físics, és a dir, sense que hi hagi reaccions químiques.
Reducció
La reducció consisteix en la separació de la màxima quantitat de l'element químic desitjat (el metall) de la resta d'elements químics amb els qual es troba combinat tot formant els compostos.
Afinament
En moltes ocasions, el metall fos obtingut als forns no té la puresa necessària per a moltes de les aplicacions industrials. Caldrà, doncs, aplicar-hi un procés d'eliminació d'impureses per tal d'obtenir-ho amb la màxima puresa. Aquest procés és conegut com l'afinament, i es pot fer per mitjans tèrmics o electrolítics.
8.2.Propietats dels metalls i els aliatges
A les taules següents pots trobar algunes de les propietats de diferents metalls purs i d'alguns aliatges comuns. Tingues present que mols d'aquests valors són orientatius, ja que, segons com s'hagi obtingut el metall pur (procés de solidificació, de conformació o tractament tèrmic) o segons la composició, en el cas dels aliatges, les propietats poden variar considerablement.
PROPIETATS D'ALGUNS METALLS PURS
|
PROPIETATS D'ALGUNS ALIATGES
Propietats
|
Llautó
|
Acer (mitja en C)
|
Bronze
|
Composició aproximada
|
Cu +30% Zn
|
Fe +0,5%C
|
Cu +5% Sn
|
densitat (kg/m^3)
|
8340
|
7850
|
8750
|
temperatura de fusió (ºC)
|
950
|
1485
|
1050
|
mòdul elàstic (Pa)·10^9
|
103
|
207
|
90
|
límit elàstic (Pa)·10^6
|
510
|
350
|
101
|
resistència al trencament (Pa)·10^6
|
524
|
520
|
188
|
allargament unitari (%)
|
9,5
|
30
|
20
|
HBW: duresa
|
160
|
170
|
65
|
resistivitat elèctrica (Ω·m)·10^-9
|
62,5
|
-
|
150
|
conductivitat tèrmica (W/m·ºC)
|
120,54
|
-
|
122
|
coeficient de dilatació lineal (K^-1)·10^6
|
20
|
-
|
17
|
8.3 El coure
El coure va ser uns dels primers metalls utilitzats per la humanitat; s’obté a partir de minerals com la calcocita (Cu2S),la calcopirita (CuFeS2) o bé la malaquita (Cu2(CO3)(OH)2). La seva obtenció consisteix en l’ús successiu de diferents forns i l’afinament electrolític per obtenir-lo amb una gran puresa.
El coure destaca per ser un material dens, tou i plàstic que es treballa molt bé en fred que presenta acritud(fenomen que consisteix en l’augment de duresa i resistència mecànica que experimenta un metall quan és deformat en fred).
Destaca per tenir una gran conductivitat elèctrica i tèrmica i resisteix molt bé la corrosió.
Les aplicacions més usuals són els cables elèctrics, les calderes, els bescanviadors de calor i les canonades d’aigua i gas.
Els aliatges en què el coure entra en major proporció són els llautons i els bronzes
Llautons: aliatges de coure i zinc. El zinc millora les propietats mecàniques del coure. Hi ha dues classes de llautó, els llautons ordinaris el quals només contenen coure i zinc (si superen el 50% de zinc no tenen aplicacions industrials, ja que són massa durs i fràgils) i els llautons especials que a més de zinc contenen altres aliatges. Els llautons s’utilitzen per a molles, decoració,instruments musicals, vàlvules, maquinària marina, bombes,etc
Bronzes: aliatges de coure i qualsevol material diferent del zinc. L'estany ha estat el principal element d’aliatge, ja que millora les propietats de fusió i emmotllament del coure. Els bronzes s’utilitzen en la fabricació dels coixinets i les vàlvules, la maquinària naval, les campanes, la decoració, etc.
8.4 L’alumini
L’alumini és el metall més utilitzat després de l’acer. És el metall més abundant a l’escorça terrestre.
La bauxita és el mineral del qual s’obté de l’alumini. El procediment d’obtenció no es gens senzilla, ja que requereix la utilització de grans quantitats d’energia elèctrica a causa de la forta tendència de l’alumini a combinar-se amb altres elements químics i formar compostos.
L’alumini és un material lleuger, bon conductor tèrmic i elèctric, molt dúctil, maleable i tou en estat pur, tot i que presenta acritud. Es fon a baixa temperatura i es adient per a la fabricació de peces per fusió i emmotllament
Aquest metall s’utilitza principalment per a estris de cuina, cables elèctrics, envasos i embolcalls, etc.
Els anomenats aliatges lleugers són els aliatges que contenen alumini com a component principal. Hi ha de dos tipus:
Aliatges lleugers per a fusió: s'utilitzen per a blocs de motors, perfils per a marcs i finestres, pistons de motors d’explosió.
Aliatges lleugers per a forja o laminatge: s'utilitzen per la construcció aeronàutica i naval i pels perfils laminat per a estructures metàl·liques.
8.5 Altres metalls d’aplicació industrial
A la taula següent podeu veure resumides propietats i aplicacions principals d’alguns metalls molt utilitzats en la indústria:
Metall
|
Propietats
|
Aplicacions
|
Aliatges
|
Observacions
|
Magnesi
|
- Molt lleuger.
- Resistent a l’aire sec però no maleable.
- Baixa plasticitat a temperatura ambient.
|
- Indústria Química i pirotècnia.
- Formació d’aliatges ultralleugers
|
- Aliatges ultralleugers: es formen amb l’alumini, zinc i manganés.
- S’utilitzen per a peces estructurals (indústria aeronàutica) i per peces de maquinària que requereixen baixa inèrcia.
| |
Titani
|
- Resistents a esforços.
- Lleugers.
- Resistents a la corrosió.
|
- Formació d’aliatges de titani.
- En forma d’òxid s’utilitza com un potent pigment blanc
|
- Amb l’alumini,
l’estany, el crom i el vanadi.
- Resistents i dúctils i forjables, admeten tractaments tèrmics.
- Indústries aeronàutiques, aeroespacial, navals, petrolera i química.
|
- Metall car per les dificultats de la seva obtenció.
|
Plom
|
- Molt dens.
- Molt poca resistència mecànica.
- Tou.
- Dúctil.
- Mal·leable.
- No presenta acritud.
- Resistent a la corrosió.
|
- Revestiments interiors dels diposits en la indústria química.
- Barreres de protecció de sorolls, vibracions, raigs X i raigs
|
- Amb antimoni, estany i coure.
- Acumuladors eléctrics, material de soldadura, revestiments antifricció en coixinets.
|
- Metall pesant molt tòxic que pot arribar que pot arribar a les persones a través de la cadena alimentària.
|
Estany
|
- Molt mal·leable.
- Resistent a la corrosió.
- Dúctil.
- Tou.
- Poc resistent als esforços.
|
- Revestimetn antioxidant de làmines d’acer (llaunes).
|
- Amb el coure per a bronzes.
- Amb el plom per a soldadura.
- Amb el bimut i antimoni.
- Fusibles elèctrics i materials antifricció en coixinets.
| |
Zinc
|
- Resistent a la corrosió.
- Poc resistent als esforços.
|
- Galvanització de l’acer per protegir-lo de l’oxidació (zincatge).
|
- Amb alumini,magnesi i coure.
- Fabricació de tota mena de peces per fusió i emmotllament.
- Obtenció de llautons.
| |
Níquel
|
- Resistent a la corrosió.
- Molt maleable.
- Magnètic.
- Resistent a la tracció.
- Resistent al desgast.
|
- Fabricació d’instrumental qurúrgic i de laboratori.
- Revestiment antioxidant de peces metà·liques (niquelatge).
|
- Amb molts elements.
- Acumuladors elèctrics, acers inoxidables, bronzes, alpaca, imants, nuclis magnètics i resistències elèctiques de precisió.
|
- Dóna un acabat molt lluent i decoratiu.
|
8.6 Pulverimetal·lúrgia
La pulverimetal·lúrgia o la metal·lúrgia de les pólvores, és una técnica per obtenir o donar forma a materials metàl·lics a partir de components que es fonen a temperatures molt elevades, que tenen una extremada duresa o altres característiques especials que fan que no siguin aplicables a processos d’obtenció o conformació tradicionals.
La pulverimetal·lúrgia s’aplica en els casos següents:
- Fabricació d’objectes amb materials refractis, que implica la utilització de molta energia per aconseguir les elevades temperatures de fusió.
- Fabricació d’objectes amb materials molt purs i de composicions molt precises, ja que permet un millor control de les impureses.
- Fabricació de peces amb materials difícils d’emmotllar, de forjar o de mecanitzar.
- Fabricació, a partir de carburs metal·lics, d’eines de tall ràpid per a màquines-eines com ara torns, fresadores, fileres, etc..
- Fabricació de peces metàl·liques poroses per utilitzar com a filtres o com a coixinets autolubrificants.
- La tècnica pulvimetàl·lurgia consta de tres fases:
1. Obtenció de les pólvores
- S’utilitzen pólvores de metalls purs, d’aliatges metàl·lics o ‘altres compostos
(carburs metàl·lics i ceràmiques). Hi han molts procediments per la seva fabricació:
Procediments d’obtenció de pólvores metàl·liques
Polvorització
| |
Mecànics
|
Atomització
|
Reducció d'òxids
| |
Electròlisi
| |
Físics i químics
|
Descomposició tèrmica
|
Condensació
|
2. Compressió
Les pólvores són introduïdes en un motlle amb la forma de la peça que volem obtenir i, mitjançant prenses hidràuliques, se’ls aplica una pressió elevada (pot arribar a 100.000N/mm2). Aquesta compressió fa que les superfícies de les partícules del material entrin en contacte i que es produeixin unions entre àtoms superficials (difusió), en un procés similar a una soldadura en fred.
3. Sinterització
Per augmentar la cohesió i la tenacitat de les peces comprimides i aconseguir que es comportin com una massa compacta, s’introdueixen en un forn i són sotmeses a temperatures elevades. Aquest procés afavoreix la unió dels àtoms iniciada anteriorment.
Les temperatures de sinterització són elevades però solen ser inferiors a la de la fusió dels productes utilitzats, s’apliquen durant un temps entre els 15 minuts i les 2 hores.
Carbur de tungstè
Una de les aplicacions més importants del tungtè és la fabricació dels filaments dels llums elèctrics. Això no obstant, en la indústria s'utilitza més un dels seus compostos, el carbur de tungstè, que representa aproximadament el 40% de la producció mundial d'aquest element.
El carbur de tungstè és un compost de carboni i tungstè. La seva duresa (9,5 en l'escala de Mohs) és comparable a la del diamant (10) i, a més, conserva les seves propietats a temperatures elevades. A causa d'aquestes característiques i del seu cost més baix, ha substituït el diamant en la fabricació d'eines per tallar, polir i, en general, treballar l'acer. Així mateix, també és el material més adient per a la fabricació de broques, incloent-hi les que es fan servir en la perforació de pous petrolífers, i de coixinets especials que requereixen una elevada resistència mecànica i tèrmica.
Gràcies a la seva duresa i la seva poca ductilitat, les peces elaborades amb aquest material es fabriquen amb les tècniques de pulverimetal·lúrgia, i el producte obtingut es carbur de tungstè cementat. El mètode de fabricació consisteix en la sinterització del carbur de tungstè en pólvores de cobalt, del 6 al 10% aproximadament. Aquesta barreja es col·loca en motlles que tenen la forma adequada i es comprimeix. Posteriorment s'escalfa a partir de 1600ºC, una mica per sota del punt de fusió del carbur. Amb l'escalfament, el cobalt es torna pastós i actua com a matriu de cohesió de les partícules de carbur.
Les propietats, i per tant, les aplicacions, de les peces obtingudes depenen de la mida del gra de les partícules de carbur de tungstè i de la proporció de cobalt. Si s'utilitzen partícules grans i el producte conté un percentatge alt de cobalt, s'aconsegueixen peces amb una gran resistència als impactes. En canvi, si el gra és més fi i la proporció de cobalt és més baixa, les peces seran més dures i resistents al desgast.
