Metalurgica General

CAPÍTULO 1: ¿QUE ES LA METALURGIA? ¡La Metalurgia es una Ciencia Nueva! ¿Quien lo habría creído unos años atrás? Desde siempre la Metalurgia había sido considerada como una simple técnica peligrosa y sucia, indigna de los intelectuales y de las refinadas elegancias. Sin embargo, Vulcano, tuerto,cojo, deforme y repulsivo, era el esposo de Venus; los griegos rendían un gran homenaje al dios artesano del fuego y del metal. La época moderna ha puesto a la Metalurgia en el sitial que le corresponde entre las demás ciencias. Hoy en día Vulcano vestiría bata blanca.* La Metalurgia es el Arte y la Ciencia de producir metales y aleaciones con formas y propiedades adecuadas para el uso. La mayoría de la gente la conoce sólo como un arte antiguo y misterioso. Es cierto que tuvo su importancia en la historia antigua, sacándonos de la edad de piedra hacia la edad del bronce y luego a la edad del hierro. La conversión, aparentemente milagrosa, de tierras opacas a metales brillantes era la esencia del misterio alquímico; no había ciencia de los metales para racionalizar e iluminar el mundo medieval de la fórmula secreta para templar los metales y combinar las aleaciones. Algo de este aire de misterio aún cubre la Metalurgia hoy en día. Ninguna nave espacial en ciencia ficción es respetable sin su propio secreto "Metal Maravilloso". Este misterio puede ser un legado del pasado, pero también es un reconocimiento inconsciente de los muchos logros del metalurgista moderno en la producción de nuevos metales y aleaciones para turbinas a propulsión a chorro, reactores nucleares, circuitos electrónicos y otras partes de avanzada de Ingeniería. Estos éxitos no son productos de una vieja magia negra, sino que la aplicación lógica de principios científicos. La Metalurgia es ahora una ciencia aplicada, disciplina basada en un entendimiento claro de la estructura y propiedades de metales y aleaciones. El misterio de los modernos "Metales Míticos", es consecuencia del simple hecho que esta ciencia es demasiado nueva como para haberse filtrado hacia los niveles más elementales de la educación científica. 1.2 METALURGIA QUÍMICA La parte más conocida de esta materia es la Metalurgia Química. Ella trata de todas las propiedades químicas de los metales, incluyendo la unificación de los diferentes metales entre sí, para formar aleaciones, pero una parte muy grande de ella concierne a las reacciones oxidación-reducción de metales por dos razones prácticas. Primero, la mayoría de los metales en la naturaleza se encuentran como óxidos, sulfuros, cloruros, carbonatos, etc., y el paso crítico en convertir estos minerales en metales, i.e. en Metalurgia Extractiva es un proceso de reducción química. Las reacciones químicas básicas del caso son a menudo simples; el desafío científico en esta parte de la materia es lograr que estas reacciones se produzcan económicamente en escala masiva. Segundo, cuando el pedazo de metal terminado va a ser puesto en servicio y es expuesto al medio ambiente, estas mismas reacciones químicas tienden a ocurrir espontáneamente a la inversa. El metal se invierte del estado metálico al estado oxidado, en otras palabras, se oxida o corroe. La labor principal del Metalurgista Químico es así llevar los metales a su estado metálico y luego mantenerlos ahí. Los orígenes de la Metalurgia Extractiva se remontan hacia la pre-historia. Los primeros descubrimientos deben haberse hecho accidentalmente en los fuegos de campamentos y fogones donde piedras de minerales metálicos fácilmente reducibles pudieron ser convertidos a metal por el calor y las llamas reductoras. El cobre, plomo y estaño estaban entre los primeros metales por esos procesos de fusión, más de 5.000 años atrás. No mucho después se hizo la aleación bronce, usualmente 10 partes de cobre a una de estaño, por fusión de una mezcla de minerales de ambos metales y fue muy preciada por su gran dureza y porque cuando se licuaba podía ser fundida fácilmente en formas

complicadas por solidificación en cavidades pre-formadas en arcilla o moldes de arena. Los primeros latones también fueron desarrollados por fusión de mezclas de minerales de cobre y zinc. El método moderno de hacer aleaciones se desarrolló posteriormente. Los minerales de fierro también son fácilmente reducidos pero el alto punto de fusión de este metal no permitió producirlo en forma líquida. En vez de esto se produjo una mezcla pastosa, porosa de hierro-esponja mezclado con escoria, ésta se compactaba mientras estaba caliente y blanda, mediante golpes o forjado con martillo, haciendo algo así como hierro forjado. La necesidad de obtener más altas temperaturas para lograr una mayor producción condujo de la evolución del fogón hacia el alto horno, con un chiflón de aire dirigido hacia la zona caliente, encima del fogón y sobre el cual hay una especie de chimenea cerrada, por la cual desciende el mineral y el combustible carbón vegetal. Un gran avance ocurrió en el siglo XIX. Se alcanzaron temperaturas suficientemente altas como para producir hierro líquido. El alto horno pudo entonces ser operado en forma continua, siendo "sangrado" periódicamente para dejar escurrir la cantidad de hierro líquido que se había juntado sobre el piso del horno, esto aumentó enormemente la producción. El arrabio líquido (pig iron) producido de este modo contenía aproximadamente 4% en peso de carbono disuelto, que provenía del combustible del horno, este carbono disminuye enormemente el punto de fusión del hierro y permite que el metal sea fácilmente vuelto a licuar y colado en moldes. Este hierro fundido, sin embargo, era muy frágil, debido al carbono, que forma láminas de grafito y un carburo de fierro, y otras impurezas, y así no puede ser usado para lo mismo que el hierro esponja forjado. El problema de convertir arrabio a una forma dúctil por eliminación del carbono fue resuelto por CORT en el siglo XVIII con el "Proceso de Pudelado" para hacer hierro forjado. Estas dos formas de hierro, forjado y fundido, fueron los materiales ferrosos de construcción por excelencia hasta fines del siglo XIX. El delicado control del carbono necesario para producir "Hierro Dulce" (aprox. 0,25% de carbono) estaba más allá de los alcances de la Metalurgia de aquellos días. Pero, también se hacía un tipo de "acero de herramientas" para espadas y utensilios de corte, que contenía alrededor de 1% de carbono y que podía ser endurecido por "templado", enfriándolo bruscamente en agua después de calentado al rojo, y era hecho en aquellos tiempos por el proceso de "cementación" en el cual el hierro esponja forjado se calentaba en carbón vegetal, en 1740, Huntsmsn hizo acero de herramientas fundiendo fierros de diferente contenido de carbono en un crisol, lo que fundó la industria de cuchillería de Sheffield. Pero el descubrimiento del acero barato de bajo carbono que puede hacerse en gran escala para propósitos de construcción, no llegó hasta mediados del siglo XIX, cuando Bessemer inventó el proceso de convertidor. A esto siguió en un par de años el proceso de fabricación de acero Siemens-Martin que permitía fabricar aceros a partir de chatarra, así se había iniciado la era moderna del acero. La electricidad juega un papel importante en muchos procesos modernos de extracción. El paso decisivo fue el proceso Hall-Héroult para la producción comercial de aluminio, anunciado en 1886. Muchos otros metales tales como magnesio, sodio y calcio, también son ahora usados para producir los metales "modernos" tales como titanio, zirconio, uranio y niobio. La ciencia de la Metalurgia Extractiva se desarrolla rápidamente en los años recientes, con la aplicación de la termodinámica y la teoría de cinética de reacción a sus problemas. La termodinámica de las reacciones metalúrgicas está ahora bien establecida, pero hay aún muchas oportunidades para más avances, tanto científicos como tecnológicos, en el estudio y control de la cinética de reacción. Muchos de los procesos más nuevos de extracción tales como el proceso de fabricación de acero al oxígeno, tostación flash, refinación spray y el proceso de alto horno del zinc, dependen críticamente de la cinética de reacción.

1.3. METALURGIA MECÁNICA La Metalurgia es una rama de una materia más amplia, conocida como "Ciencia de los Materiales e Ingeniería", que se preocupa de todos los materiales como ser metales, cerámica, vidrios, plásticos orgánicos y polímeros, madera y piedra. La razón porque la Metalurgia se destaca por sí sola como una materia tan amplia y de contenido autosuficiente es, obviamente, debido a la importancia extraordinaria de los metales como materiales de construcción. Nuestra sociedad como la conocemos seria totalmente imposible sin metales. La producción de metales y bienes metálicos representa más o menos un quinto de la producción bruta nacional en un país industrial moderno. Los metales deben su importancia a sus propiedades mecánicas únicas, la combinación de alta resistencia con posibilidad de cambiar su forma plásticamente (ductibilidad y maleabilidad). Esta plasticidad permite conformarlos, por ejemplo, a barras, latas de conservas, carrocería de automóviles, etc., por procesos de elaboración plástica de materiales tales como prensado, embutidos, laminado y forja. Aún más importante, esta misma plasticidad le da a los metales resistentes la extraordinaria tenacidad que es la habilidad para resistir todos los golpes y choques del largo y duro servicio sin que se quiebren o desmoronen. Metalurgia Mecánica trata de todos estos aspectos, en particular con la elaboración plástica de metales, el ensayo de propiedades mecánicas, las relaciones entre estas propiedades y el diseño de Ingeniería, las relaciones de materiales y el comportamiento de metales en servicio. Es la parte más antigua de la Metalurgia. Los primeros metales conocidos, cobre, plata, oro se encontraron en forma nativa, como pepitas metálicas. Los meteoritos fueron una fuente de aleaciones hierro-níquel. Todos estos metales encontrados en forma natural son maleables y desde los primeros tiempos fueron conformados a ornamentos, herramientas y armas por martillado. La forja de metales se estableció ampliamente una vez que la Metalurgia Extractiva empezó a proveer cobre, bronce, hierro esponja y otros metales en mayor cantidad. Los romanos hicieron uso extenso de láminas y cañerías de plomo en los sistemas de suministro de agua. El acuñado marcado de un relieve en una superficie metálica con un punzón y un dado, fue desarrollado tempranamente. Las ventajas de la elaboración plásticas de metales a varias temperaturas también fue reconocido, el trabajo en frío, debido a que aumentó la dureza y resistencia de los metales tales como el cobre y el hierro; trabajo en caliente, particularmente del hierro esponja, debido a que los metales resultaban ser mucho más blandos y maleables a altas temperaturas y también porque podrían ser unidos por soldadura a presión al ser martillados uno sobre el otro en caliente. El trabajo mecánico de metales permaneció por varios siglos en gran parte, como una industria artesanal, tipificada por la forja del herrero. La necesidad por partes forjadas más grandes y el uso de la potencia del vapor condujo al martinete y a la prensa de forja. Un desarrollo de importancia fue el laminador, cuyo uso se extendió en el siglo XVIII. Otros procesos, tales como trefilación, maquinado, y extrusión, también se desarrollaron y muchos procesos nuevos, incluyendo la forja en frío de acero usando lubricantes a alta presión y el conformado explosivo en el cual el metal es proyectado contra la matriz por la fuerza de una explosión. El conformado hidrostático en el cual se trabaja mientras está sometido a una gran presión hidrostática para evitar fractura, parece abrir una fase totalmente nueva en Metalurgia Mecánica permitiendo el trabajo de metales y aleaciones más frágiles. La ciencia de la Metalurgia Mecánica consiste de tres partes principales y relacionadas. Primero, las propiedades mecánicas básicas tienen que ser explicadas desde una teoría atómica de metales, análogas a la teoría cinética de los gases. Aquí se le une la Metalurgia Mecánica con la Metalurgia Física. Luego, partiendo de estas propiedades básicas, elcomportamiento de los metales tiene que ser entendido y controlado. El ataque de esteproblema ha dado lugar a una nueva rama de la mecánica aplicada, la teoría de

laelasticidad. Tercero, nuevamente en términos de propiedades básicas, el comportamientomecánico de los metales en el servicio tiene que ser entendido y mejorado para evitar fallas, debido a deformación plástica, fractura frágil, fatiga, etc., y proveer una base racional para el diseño de Ingeniería y el eficiente y seguro uso de los materiales. Este es ahora un campo de mucha actividad. METALURGIA FÍSICA Pocas cosas de la naturaleza parecen más inanimadas que un pedazo de metal. El observador solo ve su propio reflejo en la superficie brillante y quieta y nada del mundo interno. Este mundo interno, sin embargo, es un lugar de actividad incesante. Los electrones disparan de un lado al otro a inmensa velocidad. Los átomos mismos también se mueven e intercambian lugares, aún cuando el metal está completamente sólido. Los cambios de temperatura pueden hacer que los átomos se reubiquen de improviso, tomando una forma radicalmente diferente de organización. En un acero templado esto puede ocurrir en un par de microsegundos, aún a temperaturas muy por debajo de la ambiente. Deformación plástica ocurre por el paso de defectos cristalinos, llamados dislocaciones, que se mueven a alta velocidad a través del metal y ocasionan deslizamientos visibles entre masas enormes de átomos. El tráfico de dislocaciones puede llegar a ser muy denso. Se forman inmensos tacos de tráfico, que hacen que las dislocaciones no puedan moverse y el metal se endurece. Cuando este metal "endurecido por trabajo" es calentado (recocido) se libera de estas dislocaciones en una ola de reorganización del ordenamiento atómico (recristalización). Ordenamientos atómicos completamente nuevos pueden ser producidos por aleación y estos a su vez pueden ser cambiados por tratamientos térmicos. Por ejemplo, cuando una aleación de aluminio se mantiene a temperatura ambiente, después de templada, sus átomos de aleación se mueven a través del sólido para agruparse en pequeños aglomerados, como gotitas de agua en la neblina, estos aglomerados endurecen el metal para dificultar el paso de las dislocaciones (endurecimiento por precipitación). El estudio de todos estos efectos pertenece a la Metalurgia Física, la parte que trata de la estructura de los metales y aleaciones, con el objeto de diseñar y producir aquellas estructuras que dan las mejores propiedades. La Metalurgia Física tiene conexiones obvias con Metalurgia Mecánica, pero también tiene conexiones estrechas con Metalurgia Química, particularmente en conexión con la fundición de metales, la preparación de aleaciones, corrosión y los muchos efectos de las impurezas sobre las estructuras y propiedades de metales y aleaciones. Es la parte más nueva de Metalurgia, aunque los procesos de templado y revenido, endurecimiento por trabajo, recocido y aleación, ya se descubrieron y usaron de un modo completamente empírico, en los tiempos antiguos. Intentos llenos de imaginación para construir una teoría de metales, incluyendo las ideas esenciales que los sólidos pueden ser cristalinos, o sea, que tienen sus átomos tomando una configuración ordenada, fueron hechas en el siglo XVII y XVIII. Sin embargo, no había modo de probar estas ideas experimentalmente en aquellos tiempos y la mayoría de los científicos preferían trabajar en campos tales como mecánica, astronomía, electricidad y química donde el progreso era más fácil. Así se desarrolló la ciencia en la forma clásica como la conocemos por la historia. Un descubrimiento trascendental para la Metalurgia Física, fue desarrollado por Sorby, en la segunda parte del siglo XIX, la técnica metalográfica para la observación de estructuras de metales y aleaciones con un microscopio óptico de reflexión. La gran barrera del brillo superficial fue penetrada finalmente, por un proceso de pulido y ataque químico para revelar la estructura interna. Se vio entonces la estructura granular de los metales, un ensamble de cristales diminutos entrelazados. Se observaron grandes cambios en la microestructura debido a aleación, trabajo y tratamiento térmico. Las ideas acerca de la

naturaleza de estos cambios se agudizaron rápidamente una vez que fue posible interpretar estas observaciones. Aproximadamente en el mismo tiempo, la teoría de la termodinámica fue clarificando lo que sucedía cuando se mezclan diferentes sustancias y esto permitió estudiar las aleaciones científicamente. La combinación de la investigación sistemática en aleaciones mediante microscopia óptica abrieron muchas de las puertas hacia la Metalurgia Física. Los efectos del carbono en el acero pueden ser entendidos en buena medida, tanto como los procesos de endurecimiento por temple y revenido, las estructuras y propiedades de las primeras aleaciones, tales como bronce y latones, pudieron ser racionalizadas, y por fin se tenía un método para el desarrollo sistemático de aleaciones diseñadas deliberadamente para tener ciertas propiedades. El microscopio metalúrgico aún es el mismo instrumento más útil de uso general con que cuenta el metalurgista físico. No se pudo por cierto, dar prueba directa del ordenamiento atómico cristalino en los metales, aunque dejó poco lugar para dudas. La prueba directa tuvo que aguardar hasta el descubrimiento del método de Difracción de Rayos X, cuya aplicación introdujo la segunda fase de importancia de Metalurgia Física en 1920. También se prepararon monocristales de metales, en ese tiempo, y sus propiedades mecánicas explicaron buena parte de los procesos de deformación plástica. Los próximos grandes avances fueron teóricos. A principios de 1930 la teoría cuántica de electrones y átomos había llegado a ser suficientemente poderosa como para prever una teoría real del estado metálico, que podía explicar en que consiste realmente un metal y como conduce la electricidad. Las fuerzas que mantiene juntos a los átomos pudieron entonces ser entendidas y se inició la teoría de las aleaciones. Se vio que la corrosión es (y demostrada experimentalmente) tanto un proceso eléctrico como químico y la movilidad de átomos en metales fue explicada en término de ciertos defectos bien definidos en la estructura cristalina (dislocaciones y vacancias). La metalurgia teórica fue forzada aún más lejos en los años inmediatamente después de la segunda guerra mundial por la necesidad de desarrollar metales y aleaciones que pudieran resistir altas temperaturas para turbinas a reacción, o aquellas que pudieran resistir radiación nuclear dañina en reactores nucleares y la demanda de materiales especiales a usarse en la industria eléctrica. Aún más recientemente, los experimentos han vuelto a tomar delantera debido al desarrollo del extremadamente poderoso microscopio electrónico y técnicas de microscopia de campo iónico, que permite observar la estructura de los metales a escala atómica. El estudio de dislocaciones y estructuras atómicas en metales ha llegado a ser principalmente una ciencia experimental. Los innumerables avances que han ocurrido en el campo de la ciencia básica de los metales en los años recientes han dejado el considerable problema de dirigirlos todos y convertirlos en un avance correspondiente en las ciencias aplicadas. No obstante, ahora podemos ver claramente como diseñar las microestructuras de metales y aleaciones de modo de desarrollar las propiedades básicas para los mejores efectos. Algunas de las nuevas micro-estructuras propuestas son muy diferentes de las tradicionales y hay un gran desafío tecnológico para llevarlos a cabo en gran escala comercialmente. En cuanto a la ciencia básica hay aún muchas áreas en las que quedan problemas fundamentales que tienen particularmente que ver con la teoría de aleaciones, con metales líquidos y con las propiedades mecánicas más complejas tales como fatiga de metales. La dificultad de este problema no debe ser subestimada. Las cualidades que ayudan a ser un buen investigador, habilidad de fijar la atención en un sólo problema científico con exclusión de todo lo otro y de suspender todo juicio hasta que los hechos están bien claros, no son muy recomendables para el miembro de un grupo de diseño o de producción donde la amplitud de conocimientos, rápida respuesta y buen juicio intuitivo son indispensables. Muy pocas personas serán capaces de contribuir completamente en ambos lados de la materia, el científico y práctico, por lo menos no en la misma etapa de su carrera. Aún más, las cualidades que hacen un buen experimento, selección de

condiciones especiales y materiales experimentales, a desplegar los efectos críticos tan claramente y simplemente como sea posible, control riguroso de todas las variables no deseables a menudo conducen al experimento lejos del problema industrial que se pensaba analizar. Por esta razón, el investigador metalúrgico no puede resistir de llegar a separarse de sus colegas más prácticos. Pero él nunca debe dejar de responder al desafío de hacer que su trabajo, sea lo más directamente relevante al de ellos, sin sacrificar los principios de la buena ciencia. El investigador metalurgista debe buscar y extractar sus problemas precisamente del corazón de la misma industria, pero deben ser científicamente buenos problemas. La habilidad de hacer esto, y el placer de hacerlo es a veces bastante remoto al corazón de la investigación científica pura, y el inculcar esta habilidad y actitud es quizás la principal justificación para la enseñanza de la metalurgia como una disciplina académica separada. El metalurgista industrial también tiene sus desafíos. El debe permanecer atento a la ciencia y aún debe resolver sus urgentes problemas por la ruta más rápida, que a veces puede ser en gran medida empírico porque no hay tiempo para parar y llenar la base científica que falta. Juicio intuitivo, una habilidad de concebir y ensayar soluciones rápidas adhoc y seguir sin mayores preocupaciones, si fueron exitosos, son esenciales aquí. Sin embargo, una buena base de ciencia analítica es igualmente importante para disminuir la selección de posibles rutas empíricas, para coordinar todos los innumerables pedazos de información hasta obtener un cuadro coherente y para asignar valores y poner énfasis sobre las varias partes del programa, para demostrar donde el camino puede ser recorrido rápidamente y donde se debe hilar más fino. Este tipo de Metalurgia también es ciencia aplicada y requiere gran poder analítico. En los capítulos que siguen, trataremos de desarrollar una visión unificada de ambos aspectos lo científico y lo industrial. Aún en un curso introductorio hay una gran cantidad de ciencia y aún un gran número de datos que aprender. La ciencia no puede tomar vuelo sin los hechos o datos pero un largo recital preliminar de los datos de la Metalurgia Industrial sin la ciencia, solo es estupificador. Para sobrellevar este problema trabajaremos a través de la ciencia, partiendo por el núcleo atómico y llegando gradualmente a las estructuras más complejas de los metales industriales, para proveer una línea continua al tema entre manos, pero por el camino haremos hincapié en todos los puntos adecuados para mostrar como esta ciencia está relacionada a las formas características de la Metalurgia Industrial. Por el camino de cruce de la ida y vuelta entre la ciencia de los metales y lo práctico industrial. Trataremos de visualizar la Metalurgia como una ciencia aplicada que conecta estos dos lados. CAPÍTULO 2: LA METALURGIA O LA CIENCIA Y EL ARTE DE LOS METALES 2.1. INTRODUCCIÓN La Metalurgia es la ciencia y el arte de extraer metales a partir de sus minerales, refinándolos y preparándolos para su uso. La obtención de los metales se realiza a través de una secuencia de pasos o etapas que pueden ser de carácter físico o químico. Los metales se encuentran en la naturaleza en forma de minerales o mezclas de minerales, los cuales contienen usualmente grandes proporciones de minerales de desecho junto a los minerales de los metales valiosos. Una vez extraída la mezcla mineral de la mina, el primer paso a seguir es, en general, extraer físicamente los minerales valiosos separándolos en gran parte de la ganga. Esto se realiza triturando y moliendo los minerales para separarlos entre sí y luego concentrando aquellos minerales valiosos por procedimientos tales como la concentración por gravedad, flotación por espuma o separación magnética, en los cuales se aprovechan las diferencias de las propiedades físicas de los diferentes minerales. Estas operaciones se caracterizan por no modificar las características químicas de los minerales que han sido separados. Los siguientes pasos en la extracción de los metales a partir de los concentrados y su refinación posterior son

necesariamente de naturaleza química, el metal valioso debe ser separado químicamente del compuesto que lo contiene; para esto se requiere la ejecución de una amplia variedad de reacciones químicas en gran escala. La mayor parte de estos procesos químicos se realizan en hornos de alta temperatura, aunque en algunos casos se utiliza electricidad para producir los cambios químicos tanto a bajas como a altas temperaturas. En general, la obtención de un metal en particular involucra una serie de tales pasos químicos. Una vez que el metal ha sido extraído y refinado, debe sufrir un tratamiento posterior para adaptarlo al uso que le ha sido asignado. Por medio de las adiciones de otros elementos, las deformaciones mecánicas, los tratamientos térmicos, etc. se le entregan al metal las propiedades que determinan su utilidad posterior. Este es a grandes rasgos el panorama de la Metalurgia; es por lo tanto, en primera instancia, un conjunto de actividades humanas reunidas con un fin común, la obtención de artículos metálicos. La importancia de unificar estas actividades en una sola cosa objeto de estudio, no es del todo clara y su justificación es más bien histórica; sin embargo, cabe tener presente que en la naturaleza existen alrededor de un 80% de elementos que presentan características metálicas. Si bien el conjunto de operaciones involucradas en la fabricación de un objeto metálico presenta una unidad evidente, de acuerdo con la secuencia de las etapas necesarias para la obtención de un producto metálico, no es igualmente evidente la existencia de una unidad científica, que conteniendo métodos o conocimientos básicos particulares, pueda llamarse “Ciencia Metalúrgica”. Sólo en los últimos años se ha hecho claridad en el sentido de que al nombre Metalurgia responden dos unidades del conocimiento: la Ingeniería Metalúrgica y la Ciencia Metalúrgica. Al hablar aquí de la Metalurgia como una ciencia básica que tenga algún método particular o sus propias leyes independientes del resto, queremos decir que ese conocimiento básico no está contemplado en general en otras ciencias o es comprendido en términos diferentes en ellas. La Ingeniería Metalúrgica es una de las profesiones más antiguas del hombre, ha jugado un papel preponderante en el desarrollo de las sociedades humanas llevándolas desde la tenebrosa Edad de Piedra a la Edad de Bronce y posteriormente a la Edad del Hierro; actualmente gran parte del progreso humano se sustenta en el gran desarrollo alcanzado en la elaboración de los metales. Este es un hecho indiscutible. La Ciencia Metalúrgica es relativamente nueva y está en una etapa más bien primitiva de su desarrollo. A continuación se establecen más detalladamente estos conceptos y se muestran las divisiones internas de la Metalurgia así como los nombres usualmente empleados. 2.2. INGENIERÍA METALÚRGICA La Ingeniería Metalúrgica es el conjunto de operaciones y procesos por medio de los cuales un mineral es reducido a un metal, el cual a su vez es modificado en las formas y con las propiedades requeridas para ser utilizadas por el hombre. La Ingeniería Metalúrgica se divide en cuatro grandes áreas de acuerdo con la secuencia lógica de los procesos: preparación de minerales, metalurgia de procesos, procesamiento de metales y metalurgia de aplicación. Los dos primeros caen en lo que comúnmente se denomina Metalurgia Extractiva que abarca hasta la obtención de los metales, y los dos últimos en Metalurgia Adaptiva a la cual le competen las modificaciones y el control de las propiedades de los metales y las aleaciones. La siguiente tabla ilustra la división de la Ingeniería Metalúrgica donde se incluyen los tópicos más comunes que conforman cada campo. Los nombres que aparecen corresponden a procesos unitarios y operaciones unitarias que son comunes para todos los metales; los metales no se distinguen entre si más que por sus propiedades y por tal razón no aparecen términos clásicos como ferroso y no ferroso, estos términos pueden ser utilizados industrialmente, pero la división de la ciencia o la Ingeniería en virtud de tales líneas no es conveniente, como tampoco es conveniente dividirla de acuerdo con el

metal tratado. En esta tabla aparecen las actividades típicas de un Ingeniero Metalúrgico en cada uno de sus campos de especialización. Esta es una división natural basada en la realidad industrial de todos los países del mundo y no una definición basada en los conocimientos básicos. Este es el amplio objetivo que debe tenerse en cuenta en la formación de un Ingeniero Metalúrgico, ya que es el tipo de labores que desarrolla en el desempeño de su profesión. A continuación se verá con un poco más de detalle cada campo de la Ingeniería Metalúrgica.

METALURGICA EXTRACTIVA

2.METALURGICA DE PROCESOS

1.PREPARACION DE MINERALES

a. Tostacion

a.Conminuación

b. Reduccion

b. Concentraccion

c. Refinacion

c. Lixiviacion

d. Electroretinacion

e. Lingotea

d. Tratamiento de Superficies e. Metalurgia de polvos f. Tratamientos térmicos 4.METALURGICA DE APLICACIÓN

METALURGICA ADAPTIVA

a. Control de Calidad

3.PROCESAMIENTO DE METALES

b. Selección y Especificacion

a. Conformado de metales

c. Diseño de Aleaciones

b.Fundicion c.Soldadura 2.4. PREPARACIÓN DE MINERALES La Ingeniería Metalúrgica comienza con el mineral metálico y las primeras operaciones son las relacionadas con la preparación de minerales. La mayor parte de las actividades involucradas en este campo se caracterizan por no modificar la estructura química de las especies mineralógicas, son "operaciones físicas" cuyo objetivo es separar una especie de otras. Solamente la lixiviación, dentro de este campo, involucra una reacción química y por lo tanto cae dentro del grupo de "procesos químicos". En general, cada elemento metálico se extrae por procedimientos diferentes, sin embargo, todos los procedimientos consisten en pasos que son comunes, es decir, están formados por un número relativamente pequeño de pasos que se combinan en grupos y secuencias definidas. Estos pasos individuales de denominan operaciones unitarias o procesos unitarios, según el caso; la combinación de ellos se conoce con el nombre de "flow sheet". La siguiente tabla muestra los principales pasos unitarios involucrados en la preparación de minerales. Existe una marcada semejanza entre las operaciones unitarias contenidas en el tratamiento de minerales metálicos contenidas en el tratamiento de minerales metálicos y aquellas relacionadas con los minerales no metálico, cerámicos y de combustibles sólidos, todos ellos relacionados íntimamente con la geología económica y la minería. Se ha dicho que este primer segmento de la Ingeniería Metalúrgica constituye también una parte de un campo más amplio denominado Ingeniería Mineral. OPERACIONES Y PROCESOS UNITARIOS DE LA PREPARACIÓN DE MINERALES* Operaciones Unitarias Chancado Molienda Cribado Clasificación Separación por Gravedad Jigging Flotación Separación Magnética Separación Electrostática Agitación Filtrado Manejo de Materiales Procesos Unitarios

Lixiviación Precipitación La fundamentación científica de las operaciones unitarias, involucradas en la preparación de minerales que configura el área denominada "Mineralurgia", está basada en tópicos tales como: Cristaloquímica, termodinámica de superficies, Mineralogía, Mecánica de fluidos y otros de aplicaciones no tan generales, pero si importantes para una operación específica, tales como Química Orgánica, Electricidad y Magnetismo y otras ramas de la física. Los fundamentos de los procesos químicos de la preparación de minerales, esto es, la lixiviación y la precipitación, son similares a los de otros procesos, contenidos en la Metalurgia de procesos y serán consideradas después. La importancia de la preparación de minerales en la Ingeniería Metalúrgica es obvia, si se piensa, que ella determina, según su estado de desarrollo, el que un depósito mineral sea explotable o no. La gran parte de nuestro cobre se obtiene a partir de minerales que no tenían ningún valor hace 50 o 60 años atrás. Esto se debe exclusivamente al desarrollo de la flotación que convirtió rocas sin importancia en fuentes naturales. Así, en el futuro, muchos de nuestros metales provendrán de minerales que hoy en día no son convenientes de tratar. Esta es una de las grandes tareas de la Ingeniería Metalúrgica. 2.5. METALURGIA DE PROCESOS La Metalurgia de procesos es la sucesión de pasos o procesos por medio de los cuales un mineral impuro se reduce a un metal, refinado, aleado y lingoteado en las formas apropiadas como metal primario dispuesto para un procesamiento posterior. Todos los pasos involucrados en este campo, sin excepción, se caracterizan por modificar las propiedades químicas o los estados de agregación de las especies químicas que en ellas participan, son por lo tanto procesos químicos. La Metalurgia de procesos es muy afín con la Ingeniería Química con la cual tiene muchas ideas y problemas en común; aunque la mayor parte de los procesos unitarios son distintos a los de la Ingeniería Química los principios básicos en que se sostienen son muy semejantes. En la práctica es muy común encontrar a Ingenieros Químicos que se han especializado en Metalurgia de Procesos y que cubren este campo ocupacional al igual que los Ingenieros Metalúrgicos. Esta práctica es discutible ya que para ser un eficiente metalurgista de procesos, no sólo es necesario contar con un amplio respaldo en los aspectos básicos, lo cual si es común, sino que también debe tenerse una gran familiaridad con los sistemas estudiados. Los metales fundidos, las escorias, la electrólisis de sales fundidas, la solidificación de lingotes, etc., no son conceptos familiares para los Ingenieros Químicos, quienes se desenvuelven siempre con sistemas a temperaturas mucho menores. Sin embargo, hay que destacar que las diferencias entre ambos campos deben buscarse en los tipos de sistemas estudiados y no en los conocimientos básicos utilizados. Antiguamente era costumbre enseñar la Metalurgia de procesos en términos del metal estudiado, de ahí aparecieron términos tales como, metalurgia del cobre, metalurgia ferrosa, metalurgia del níquel, etc. actualmente tal práctica es anacrónica, en cambio el estudio se lleva a cabo con el concepto de proceso unitario incorporado por Schuhmann; según esto, al igual que en la preparación de minerales, todas las especies minerales sufren una secuencia de procesos comunes para ser convertidos en metales primarios. La siguiente tabla muestra los principales procesos que sufren los minerales y que conforman la Metalurgia de Procesos PROCESOS UNITARIOS DE LA METALURGIA DE PROCESOS Secado Metalotermia Calcinación Carbotermia

Tostación Destilación y Sublimación Sinterización Fusión de Retortas Fusión simple Reducción gaseosa Fusión en alto horno Refinación a Fuego Conversión Electrorefinación Reducción líquida Electrorecuperación Combustión Electrólisis de sales fundidas Lingoteado Procesos Hidrometalúrgicos Es conveniente aclarar aquí la significación de ciertos términos muy utilizados en el lenguaje de la Ingeniería Metalúrgica como son los de: Piro, Hidro y Electrometalurgia. Este término son generalizados de un conjunto de procesos que no tienen una característica particular, pero que no implican ningún fundamento básico; así la Pirometalurgia es el conjunto de procesos unitarios de la Metalurgia de procesos que implican altas temperaturas, pero que puede ser en sistemas gas-sólido, líquido-líquido, etc. La Hidrometalurgia implica soluciones acuosas y la Electrometalurgia el uso del principio de la electrólisis sea en soluciones acuosas, soluciones metálicas o iónicas. Su uso, por lo tanto, es limitado y no debe formar parte en la definición de la Metalurgia. Los procesos unitarios de la Ingeniería están, en general, relacionados con reacciones químicas y cambios de estado; las bases fundamentales con que se apoya son, por cierto, la Termodinámica, la Cinética de reacciones, la Electroquímica y la Química Inorgánica, pero aplicada, en ciertos casos, a sistemas muy particulares como son los de sales fundidas, soluciones iónicas, soluciones metálicas y en casos menos frecuentes en sistemas acuosos y gaseosos. Es decir, que en general, la Metalurgia de procesos trata con sistemas heterogéneos y por lo tanto, se apoya en una gran medida en la ciencia de los Fenómenos de Transporte. La aplicación de estos principios a la Ingeniería Metalúrgica ha permitido mejorar enormemente los procesos introduciendo nuevos métodos tecnológicos, desarrollando nuevos sistemas y mejorando sustancialmente la calidad de los productos con más eficiencia y mayor economía de los procesos. 2.6. PROCESAMIENTO DE METALES Bajo el nombre de procesamiento de metales están contenidos los procedimientos por medios de los cuales los metales se transforman en objetos útiles. En general, en estos procesos, aunque aquí esta palabra carece del sentido indicado antes, se modifican las propiedades físicas y mecánicas de los metales y sólo raramente sus propiedades químicas. Una parte de este campo, el conformado de metales junto con el estudio de las propiedades mecánicas de los materiales, lo cual se denomina a veces como Metalurgia Mecánica, ha sido hasta ahora un dominio de la Ingeniería Mecánica; debido al estado de desarrollo de esta área, los problemas relacionados con las fuerzas aplicadas y las respuestas del sistema como medio continuo. La Ingeniería Metalúrgica se preocupa fundamentalmente del comportamiento de los metales bajo diversas solicitaciones desde el punto de vista de la microestructura, solo recientemente el conformado de metales ha alcanzado un estado de desarrollo en el cual es conveniente estudiar estos problemas. El proceso que sigue un metal para ser convertido a la forma y con las propiedades deseadas, depende del metal en cuestión y del objetivo perseguido, sin embargo existe un cierto número de pasos únicos a los cuales un metal puede ser sometido. Los más importantes muestran en la siguiente tabla. PASOS UNITARIOS EN EL PROCESAMIENTO DE METALES Laminación Temple y Revenido Forja Recocido Trefilación Normalizado

Extrusión Carburización o Cementación Fusión y Colada Nitruración Soldadura Compactación Galvanizado Sinterización Zincado Metalurgia de Polvos Los fundamentos científicos en que se basan los procesamientos de los metales son muchos y muy variados, en ciertas partes son los mismos que en metalurgia de procesos, pero además existe una ancha gama de materias como son la metalografía, cristalografía, física del estado sólido, la teoría de dislocaciones, difusión en el estado sólido, solidificación, reacciones martensíticas, transformaciones de fases, elasticidad, plasticidad, etc. que forman parte de la ciencia básica en que se apoya toda la Metalurgia Adaptiva. Durante mucho tiempo, la gran mayoría de estos procesos fueron relegados por los Ingenieros Metalúrgicos a un control puramente empírico. Sólo en este último tiempo y en forma parcial se han logrado adelantos al aplicar los conocimientos científicos a ellos, especialmente en la industria de la fundición y en los tratamientos térmicos. Así, "nosotros hemos visto en años recientes doblar la resistencia de las fundiciones grises persuadiendo al grafito a formar nódulos en vez de escamas o láminas". 2.7. METALURGIA DE APLICACION El saber elegir el metal justo y colocarlo en el sitio justo con las mejores condiciones de costo y de servicios es la última rama de la Ingeniería Metalúrgica. La selección y especificación de los metales y de su tratamiento (térmico, superficial, etc.) es generalmente una tarea de grandes proporciones que obliga al Ingeniero a utilizar al máximo de su ingenio y su experiencia. Para realizar esto debe tener en cuenta, la complejidad de la estructura, los diversos tipos de metales, la calidad adecuada, los aspectos económicos, etc. En este campo, las ciencias mencionadas anteriormente, encuentran mejor su aplicación práctica, y además aquí la Metalurgia se sirve de toda la Ingeniería; aquí el Ingeniero Metalúrgico esta constantemente trabajando con otros ingenieros, por lo tanto debe conocer su lenguaje, debe comprender los rendimientos del diseño, la fabricación, inspección y el ensamblado. Si ningún metal o material conocido es satisfactorio para la tarea dada, una nueva aleación o nuevo material debe ser diseñado para cumplir el objetivo, un programa de investigación y desarrollo será requerido. A medida que se obtengan aleaciones que cumplan con las necesidades, los requisitos aumentan, aún mejores aleaciones son requeridas y el proceso debe continuar. Estamos constantemente en medio de tales desarrollos. Rápido progreso se hace en este momento en el desarrollo de metales útiles a altas temperaturas. El diseño de una aleación nueva para un propósito dado puede ser una tarea muy simple o extremadamente difícil, dependiendo de la disponibilidad de los datos científicos básicos. Como muchos requisitos no han podido satisfacerse con aleaciones metálicas se ha buscado y encontrado soluciones con materiales no metálicos como son las cerámicas y los polímeros (comúnmente conocidos como plástico) o sus combinaciones – dando lugar a los materiales compuestos o compósitos, que son el interés de una nueva disciplina, la Ciencia de los Materiales. La Ciencia de los Materiales se nutre de todo el conocimiento metalúrgico básico para aplicarlo a todos los materiales y al enriquecerse con la química y física del estado sólido dando nacimiento así a la Ingeniería de Materiales, la natural expansión de la Metalurgia Física.