Metal·lúrgia i Siderúrgia: Processos, Aliatges i Tractaments Tèrmics

Metal·lúrgia i Siderúrgia

El Procés Metal·lúrgic

Per obtenir els metalls, cal seguir un procés seqüencial:

• Mineria: Extracció i Enriquiment.
• Metal·lúrgia: Obtenció i Afinament.
• Indústries Metàl·liques: Mecanització.

La Metal·lúrgia és el conjunt de processos que porten a l'obtenció dels metalls, mitjançant la separació del metall dels altres elements amb els quals es troba combinat químicament.

Característiques dels Metalls i Aliatges

Els metalls es caracteritzen per tenir una elevada conductivitat, resistència mecànica, ser opacs i lluentors. Quan es barregen amb altres metalls, formen aliatges, que són productes obtinguts a partir de la unió de dos o més elements químics.

Solidificació dels Aliatges

Quan es refreda un metall pur i passa de la fase líquida a sòlida, la temperatura es manté constant mentre es va solidificant. Quan s'ha solidificat la massa, la temperatura torna a disminuir.

Per il·lustrar el procés de fusió i solidificació dels aliatges binaris, s'utilitza el Diagrama d'Equilibri. Aquest diagrama representa qualsevol punt a partir d'un valor de temperatura i d'una determinada proporció dels components de la mescla. S'hi poden trobar tres àrees principals:

1. Fase Líquida: Per damunt de la línia de líquid, l'aliatge sempre es trobarà en fase líquida.
2. Fase Líquida + Sòlida: Per a qualsevol punt situat en aquesta àrea, l'aliatge sempre tindrà una part de la massa en fase sòlida i una altra part líquida.
3. Fase Sòlida: Per sota de la línia de sòlid, l'aliatge sempre es trobarà en fase sòlida.

Aquests diagrames presenten un mínim a la línia de líquids, que sempre coincideix amb la línia de sòlids (proporció eutèctica). El punt s'anomena punt eutèctic, i la temperatura, temperatura eutèctica.

Els aliatges de proporcions eutèctiques són molt importants perquè:

• Es solidifiquen a una temperatura constant.
• La temperatura de solidificació és la més baixa.
• Són mescles finíssimes de cristalls purs.

Classificació dels Productes Metal·lúrgics

Els productes metal·lúrgics es classifiquen en:

• No Fèrrics: Aliatges (p. ex., Llautó) i Purs (p. ex., Coure).
• Fèrrics: Ferros, Acers i Foses.

Ferro Pur i Solidificació

Ferro Pur

L'aliatge ferro-carboni es considera ferro pur quan el contingut d'aquest últim és inferior al 0,03%.

Solidificació del Ferro: Varietats Al·lotròpiques

Segons com es distribueixen els àtoms d’un metall quan es troba en estat sòlid, donen lloc a diferents estructures de la seva xarxa cristal·lina i, per tant, a materials amb diferents propietats. Les varietats al·lotròpiques són les diferents estructures cristal·lines en què es pot solidificar un metall:

• Varietat Delta: Als 1539 °C, la temperatura es manté constant mentre tota la massa passa a la fase sòlida.
• Varietat Gamma: La temperatura continua baixant lentament fins que als 1390 °C es torna a mantenir constant mentre tota la massa canvia la seva estructura cristal·lina.
• Varietat Beta: Continua el descens de temperatura fins als 900 °C, i la temperatura es manté constant fins a canviar l’estructura.
• Varietat Alfa: Hi ha un descens de temperatura fins als 750 °C. L’estructura torna a canviar i s’obté la varietat alfa, la qual es conserva fins que s’arriba a temperatura ambient.

Productes Siderúrgics: Acers i Foses

Els productes siderúrgics són aliatges de ferro amb carboni:

• Acers: (No aliats al carboni, aliats).
• Foses: (Blanca, Grisa - laminar, esferoidal, dúctil, nodular, mal·leable).

Es consideren acers els aliatges de ferro amb contingut de carboni comprès entre 0,1% i 1,76%. Es consideren foses quan el contingut de carboni oscil·la entre 1,76% i 6,67% i, a més, contenen silici. A la pràctica, el contingut de carboni de les foses oscil·la entre el 3% i el 4,5%.

Processos de Conformació

Forja: Procés que serveix per donar forma als metalls. Consisteix a situar una massa sòlida de metall calent entre les dues meitats d’un motlle o matriu i aplicar-hi esforços de compressió fins que adopta la seva forma.

Emmotllament: Consisteix a introduir el metall en fase líquida a l’interior d’un motlle tancat i desemmotllar-lo un cop solidificat.

En general, es pot dir que l’acer és forjable a temperatures elevades (>1400 °C). En canvi, la fosa no és forjable, fon a temperatures més baixes (<1130 °C) i es pot emmotllar molt bé.

Obtenció del Ferro Colat

Les matèries primeres que intervenen en l’alt forn són el mineral de ferro concentrat, el carbó de coc i la pedra calcària.

Matèries Primeres

• Mineral de Ferro: Aporta el ferro oxidat que, un cop reduït, s'obté en forma de ferro colat. L’oxigen del mineral es combina amb el carboni i surt per la part superior del forn en forma de diòxid de carboni. El mineral també aporta impureses formades per sílice que s'obtenen separades del ferro en forma d’escòria.
• Carbó de Coc: El carbó de coc no té prou poder calorífic per aconseguir les altes temperatures necessàries per obtenir ferro líquid. Per aquest motiu, s’utilitza el carbó de coc obtingut a partir de la destil·lació de l’hulla. Actua com a combustible per obtenir temperatures elevades i aporta el carboni necessari per a la reducció.
• Pedra Calcària: Aquest compost sura damunt el ferro fos perquè té una densitat inferior. L’escòria extreta de l’alt forn té un aprofitament posterior en la fabricació de ciment, de formigó i d’aïllants tèrmics en la indústria.

El procés d’obtenció consisteix en la introducció de les matèries primeres en capes successives per la boca superior.

Zones de l'Alt Forn

Dins el forn, s'hi troben quatre zones:

1. Zona de Deshidratació
2. Zona de Reducció
3. Zona de Carburació
4. Zona de Fusió

El Ferro Colat a l’alt forn és un aliatge de ferro i carboni amb un contingut del 4% de carboni, el 2% de silici i quantitats menors de fòsfor, sofre i oxigen.

Obtenció de l'Acer

Per obtenir acer a partir de ferro colat hi ha dues instal·lacions diferents:

Convertidor d'Oxigen

El procés comença amb la càrrega del convertidor amb ferro colat en fase líquida, ferralla i calç. Tot seguit, s’introdueix una llança (refrigerada per un circuit d’aigua) que injecta oxigen pur a pressió damunt el líquid. Els canvis que es produeixen en el convertidor fan disminuir el contingut de carboni i la proporció d’impureses del ferro colat.

Forn Elèctric

Consisteix en un recipient d’acer refrigerat externament per un circuit d’aigua i recobert internament per ceràmica refractària. Aquest recipient es tanca amb una coberta que disposa de tres elèctrodes de grafit als quals se'ls aplica un fort corrent elèctric trifàsic.

Tractaments Tèrmics de l'Acer

Els tractaments tèrmics consisteixen a sotmetre l’acer a uns canvis controlats de temperatura per tal de variar les proporcions dels seus constituents i, així, modificar les seves propietats.

El Tremp

S’aplica el tremp quan es vol aconseguir un acer amb una elevada duresa i resistència mecànica. Consisteix a obtenir un acer format per una gran proporció de martensita. Com que la martensita s’obté per refredament ràpid de l’austenita, el tractament consisteix en:

1. Escalfament: Escalfar l’acer fins que tota la massa es transformi en austenita. Segons el percentatge de carboni, la temperatura a què cal arribar serà més alta o baixa.
2. Refredament Ràpid: Refredament ràpid per assegurar que tota l’austenita es transforma en martensita. Per aconseguir el tremp de la peça, cal refredar-la a una velocitat lleugerament superior a la mínima.

El Revingut

Consisteix en un escalfament a una temperatura inferior als 723 °C i un refredament posterior a l’aire. D’aquesta manera, s’aconsegueix incrementar la tenacitat i reduir les tensions de l’acer trempat, a costa d’una disminució de la duresa, de la resistència mecànica i del límit elàstic.

La Recuita

S’utilitza quan es vol disminuir la duresa i incrementar la plasticitat d’un acer per poder-lo deformar i treballar fàcilment. En general, consisteix en un escalfament a temperatura elevada i un refredament lent. Segons la temperatura màxima de tractament i la velocitat de refredament, es distingeixen diferents tipus de recuita:

• Recuita de Regeneració: Per a acers amb un contingut de carboni >0,6%.
• Recuita Globular Supercrítica: Per a acers aliats per a eines. La temperatura màxima és superior a la de formació d’austenita.
• Recuita d’Estovament: És un tractament idèntic al revingut, però que s’aplica a peces que no han estat prèviament trempades.
• Recuita Contra Acritud: Per eliminar l’acritud produïda en els processos de conformació en fred.

El Normalitzat

Consisteix en un escalfament fins a la temperatura d’austenització i un refredament a l’aire (a velocitat més lenta que el tremp, però més ràpida que la recuita).

Metalls No Fèrrics

Processos d'Obtenció

L'obtenció dels metalls no fèrrics implica diverses etapes:

• Enriquiment del Mineral: Consisteix a preparar el producte obtingut a la mina per a les accions posteriors:
  • Trituració: Reducció, mitjançant mitjans mecànics, de la grandària de les roques.
  • Concentració: Separació de la mena i la ganga sense reaccions químiques.
• Reducció: Separació de la màxima quantitat de l'element químic desitjat de la resta d'elements químics amb els quals es troba combinat.
• Afinament: Procés d'eliminació d'impureses per obtenir la màxima puresa del metall quan no té la puresa necessària després de ser fos.
  • Afinament Tèrmic: Es realitza en forns aplicant oxigen, aire i productes químics.
  • Afinament Electrolític: Es realitza en tancs electrolítics que contenen producte químic en fase líquida on se submergeixen elèctrodes. S'hi fa passar una gran quantitat d'electricitat, separant químicament els àtoms de metall, mentre que les impureses queden dissoltes.

Principals Metalls No Fèrrics

Coure

Un dels primers metalls utilitzats per la humanitat. És un material dens, tou i plàstic que es pot treballar molt bé en fred (on presenta acritud). Té gran conductivitat elèctrica i tèrmica i resisteix molt bé la corrosió.

• Llautons: Aliatges de coure i zinc. Milloren les propietats del coure, baixen el punt de fusió i redueixen la conductivitat elèctrica i tèrmica. Si superen el 50% de zinc, no són aplicables a la indústria perquè són massa durs i fràgils.
• Bronzes: Aliatge de coure i un altre metall diferent del zinc (normalment l'estany). Millora les propietats de fusió i emmotllament i augmenta la seva duresa i resistència al desgast.

Alumini

El metall més abundant a l'escorça terrestre i considerat metall modern, ja que es va iniciar a finals del segle XIX. S'obté de la bauxita. És un material lleuger, bon conductor tèrmic i elèctric, molt dúctil, mal·leable i tou en estat pur (presenta acritud). És resistent a la corrosió provocada per la humitat, però no resisteix l'aigua de mar ni les solucions salines.

• Aliatges d'Alumini:
  • Aliatges Lleugers per Fosa: Blocs de motors i pistons de motors d'explosió.
  • Aliatges per Forja: Construcció aeronàutica i naval.

Magnesi

S'obté de silicats de magnesi. És molt lleuger, resistent a l'aire sec, però no a l'humit, i té baixa plasticitat. S'utilitza en la indústria química i pirotècnica, i en aliatges ultralleugers per a la indústria aeronàutica i peces de maquinària amb baixa inèrcia.

Titani

S'obté del rutil. És resistent als esforços. Els aliatges de titani són resistents, dúctils, forjables i admeten tractaments tèrmics. S'utilitza en les indústries aeronàutica i aeroespacial.

Plom

S'obté de la galena. És molt dens, té molt poca resistència mecànica, és tou, dúctil, mal·leable i no presenta acritud. És resistent a la corrosió. S'utilitza en revestiments interiors de dipòsits en la indústria química. Els seus aliatges amb antimoni, estany i coure s'utilitzen en acumuladors elèctrics, material de soldadura i revestiments antifricció. L'exposició provoca saturnisme (dolors abdominals, cefalees, al·lucinacions, hipertensió arterial).

Estany

S'obté de la casiterita. És molt mal·leable, resistent a la corrosió, dúctil, tou i poc resistent als esforços. S'utilitza com a revestiment antioxidant de làmines d'acer. Aliatges: coure (bronzes), plom (soldadura), bismut i antimoni (fusibles elèctrics).

Zinc

S'obté de la blenda. És resistent a la corrosió, però poc resistent als esforços. S'utilitza per a la galvanització de l'acer per protegir-lo de l'oxidació. Aliatges amb alumini, magnesi i coure per a la fabricació de tota mena de peces per fosa i emmotllament (obtenció de llautons).

Níquel

S'obté de la niquelina. És resistent a la corrosió, molt mal·leable, magnètic, resistent a la tracció i al desgast. S'utilitza en la fabricació d'instrumental quirúrgic i de laboratori. Aliatges amb molts elements: acumuladors elèctrics, acers inoxidables, bronzes, alpaca, imants.

Crom

S'obté de la cromita. És de color blanc, dur i fràgil. S'empra per cromar.

Tungstè (Wolframi)

S'obté de la wolframita. És de color gris, dur, pesat i fàcilment dúctil. S'utilitza en filaments de bombetes.

Pulverimetal·lúrgia

La pulverimetal·lúrgia és una tècnica per obtenir o donar forma a materials metàl·lics a partir de components que fonen a temperatures molt elevades, que tenen una duresa extrema o altres característiques especials que fan que els processos d'obtenció tradicionals no siguin aplicables. S'utilitza en els següents casos:

• Fabricació d'objectes amb materials refractaris, que implicaria la utilització de molta energia amb altres mètodes.
• Fabricació d'objectes amb materials molt purs i composicions molt precises.
• Fabricació de peces amb materials difícils d'emmotllar.
• Fabricació a partir de carburs metàl·lics.