Processos Metal·lúrgics: Obtenció, Aliatges i Tractaments Tèrmics

El Procés Metal·lúrgic

El material més important és el metall. Només alguns metalls, com l'or, la plata o el mercuri, es poden trobar en estat pur a la natura.

Definicions Clau

Mineria

Extracció del mineral d'un jaciment adequat i la seva preparació, separant la part rica en metall d'altres que l'acompanyen.

Metal·lúrgia

Separació del metall dels altres elements amb els quals es troba combinat químicament. És el conjunt de processos que porten a l'obtenció dels metalls, que també es poden obtenir a partir del reciclatge.

Indústries Metàl·liques

Elaboració del metall obtingut per a l'obtenció d'articles útils.

Composició dels Minerals i Aliatges

Els metalls es troben als minerals combinats químicament amb altres elements:

• Òxids: metall + oxigen
• Sulfurs: metall + sofre
• Carbonats: metall + carboni + oxigen

Un mineral està format per:

• Mena: Part aprofitable i rica en el metall buscat.
• Ganga: Part no aprofitable perquè és molt pobra en metall.

Què és un Aliatge?

Un aliatge és un producte obtingut a partir de la unió de dos o més elements químics (com a mínim un dels dos ha de ser un metall) i que, un cop format, presenta les característiques pròpies d’un metall.

Solidificació dels Aliatges

Els metalls purs tenen un valor fix de temperatura de fusió. Quan es refreda un metall pur i passa de la fase líquida a la fase sòlida, la temperatura es manté constant mentre solidifica. Un cop ha solidificat tota la massa, la temperatura torna a disminuir progressivament fins a arribar a la de l’ambient.

Àrees de Fase en Aliatges

Àrea de fase líquida

Per damunt de la línia de líquid, l’aliatge sempre es trobarà en fase líquida.

Àrea de fase líquida + sòlida

Per qualsevol punt situat en aquesta àrea, l’aliatge sempre contindrà una part de la massa en fase sòlida i l’altra part en fase líquida.

Àrea de fase sòlida

Per sota de la línia de sòlid, l’aliatge sempre es trobarà en fase sòlida.

Importància dels Aliatges Eutèctics

Els aliatges de proporcions eutèctiques són molt importants perquè:

• Se solidifiquen a una temperatura constant (en lloc de fer-ho en un interval).
• La temperatura de solidificació o de fusió és la més baixa de totes les possibles amb els components que formen la mescla. És més baixa que la més baixa dels elements purs que formen l’aliatge.
• Són mescles finíssimes i íntimes de cristalls purs dels elements d’aliatge i són ideals per fabricar peces per a emmotllament, ja que omplen millor els motlles i donen peces més homogènies.

El Ferro i els Seus Aliatges

El llenguatge col·loquial anomena ferro una gran varietat de productes molt diferents: ferro pur, acer, fosa o ferro colat, etc.

El Ferro Pur

En realitat, el ferro pur és un element químic que no té gaires aplicacions industrials, a causa de la baixa resistència mecànica i de la gran tendència a la corrosió.

Característiques del Ferro Pur

• Punt de fusió: 1539 ºC
• Color: Blanc grisós
• Densitat: 7,87 g/cm³
• Propietats mecàniques: Dúctil i mal·leable
• Altres propietats: Bon conductor elèctric i fàcilment magnetitzable.

Industrialment, s’anomena ferro pur l’aliatge ferro-carboni quan el contingut d’aquest últim és inferior al 0,03%. Aquest material té alguna aplicació industrial que aprofita les seves propietats magnètiques, com ara la fabricació de xapes per a nuclis de transformadors elèctrics.

Solidificació i Varietats del Ferro

El procés de solidificació del ferro pur implica diversos canvis d'estructura cristal·lina a temperatures constants:

1. 1539 ºC: La temperatura es manté constant mentre tota la massa passa a la fase sòlida. L’estructura del ferro sòlid a partir d’aquest moment correspon a la varietat delta (δ).
2. 1390 ºC: La temperatura continua baixant lentament fins que es torna a mantenir constant mentre tota la massa canvia la seva estructura cristal·lina i passa a la varietat gamma (γ).
3. 900 ºC: Continua el descens de temperatura fins a arribar als 900 ºC. A aquesta temperatura es manté constant mentre la massa canvia a la varietat beta (β).
4. 750 ºC: Finalment, hi ha un descens de temperatura fins als 750 ºC, quan l’estructura torna a canviar i s’obté la varietat alfa (α), la qual es conserva fins que s’arriba a la temperatura ambient.

Productes Siderúrgics: Acers i Foses

• Acers: Es consideren aliatges de ferro amb un contingut de carboni comprès entre el 0,1% i l'1,76%.
• Foses (Ferro Colat): Es consideren foses quan el contingut de carboni oscil·la entre l'1,76% i el 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%.

Formes de Fosa (Estructures)

• Laminar: En forma de làmines.
• Nodular: En forma de ram o de raïm.
• Esferoïdal: En forma d’esferes.

Obtenció dels Metalls

Actualment, la indústria utilitza, a més del 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.

Obtenció del Ferro Colat (Fosa)

El ferro colat, obtingut 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.

Les primeres matèries que intervenen en l’alt forn són:

• Mineral de ferro concentrat
• Carbó de coc
• Pedra calcària

Tractaments Tèrmics de l'Acer

Els tractaments tèrmics consisteixen a sotmetre l’acer a uns canvis controlats de temperatura (escalfaments i refredaments successius) per tal de variar les proporcions dels seus constituents.

El Tremp

S’aplica 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.

El Revingut

Consisteix en un escalfament a temperatura inferior als 723 ºC (per tal d’evitar la formació d’austenita) i un refredament posterior a l’aire.

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.

El Normalitzat

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

Enriquiment del Mineral

L'enriquiment del mineral consisteix a preparar el producte obtingut a la mina per a l'aplicació de les accions posteriors:

Trituració

Reducció per mitjans mecànics de la grandària de les roques. L'objectiu és incrementar la superfície exterior del producte i facilitar així les accions posteriors.

Concentració

Separació de la mena i la ganga per mitjans físics, és a dir, sense que hi hagi reaccions químiques.