Metalurgia QUÍM.

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Química

Introducción. La actual m. es la ciencia de las artes industriales que, cultivadas desde hace miles de años, proporcionaron al desarrollo de la humanidad los metales (v.) y que, a través de la experiencia, establecieron las técnicas de su elaboración y las normas de su uso. Su quehacer actual sigue siendo igualmente fascinante porque se le pide que utilice la ciencia para proporcionar a la humanidad los mejores materiales que puedan permitir las leyes naturales y los recursos terrestres. La dura experiencia de antaño está actualmente aliviada por la ciencia. Científicamente, en efecto, se explican ya las propiedades de los metales a través de su microestructura, y ciencia es la teoría de sus aleaciones.

La m. ha estado siempre presente en el quehacer del hombre, desde las más tempranas manifestaciones de la vanidad, el poder o el servicio (joyas, armas, utensilios). La experiencia fue acumulando lentamente conocimientos, tanto en la extracción de los metales de sus menas, como en su afino y en la preparación de aleaciones (v.), en su conformación, y en su empleo. Pero ha sido el desarrollo general de la ciencia y de la tecnología el que ha determinado, en relativamente pocos años, el descubrimiento de los elementos metálicos naturales que han completado el sistema periódico y la multiplicación de las aleaciones, preparadas ya con fines muy concretos desde que se conoció lo que puede esperarse de cada metal aisladamente y lo que él aporta a los complejos sistemas aleados de múltiples componentes.

Metalurgia extractiva. La m. extractiva, es decir, la que comprende la extracción de los metales de sus menas, ocupó al hombre como un arte empírico hasta hace muy pocos años. Precisamente experimentando entre ritos, pulverizando basiliscos, sangrando bestias y arrojando al fuego piedras más o menos preciosas tratando de sintetizar oro o elixires, se acumulaba esa experiencia que, desnuda de fantasía, fue la base de la Química que empezó a construirse en el s. xvii. De la Ciencia Química, está ahora recibiendo la m. los estímulos más notables.

Los elementos químicos se distribuyen en la corteza terrestre según los siguientes tantos por ciento:O ... ... 50k ... ... 2,4Si ... ... 26Mg ... ... 1,9Al ... ... 7,5H ... ... 0,9Fe ... ... 4,7Ti ... ... 0,6Ca ... ... 3,4Cl ... ... 0,2Na ... ... 2,6P ... ... 0,1Los elementos Mn, C, S, Ba, Cr, N, F, Zr, Zn, Ni, Sr, y V representan, entre todos, sólo un 0,45%.

El oxígeno, el más electronegativo de todos los elementos químicos (v.) con la excepción del flúor, representa, él solo, la mitad. Se comprende, pues, que la tarea más importante en la extracción de los metales sea la reducción de sus óxidos, incluso cuando aquéllos están en forma de sulfuros, porque resulta una operación previa ventajosa transformarlos en óxidos.

Por otra parte, como en las masas fundidas o en las soluciones de las cuales cristalizaron los minerales había iones de muchas clases, no puede sorprender que en estos minerales sean frecuentes las sustituciones isomórficas, lo cual significa que no suelen ser sustancias puras con respecto al metal que interesa. Es decir, los metales han de extraerse a partir de unas materias primas impuras y complejas, que, además de ser tratadas con un agente reductor adecuado, después de preparadas (seleccionadas, clasificadas, molidas, concentradas, sintetizadas, etc.), será preciso acudir a ciertas propiedades específicas de los constituyentes deseados para producir la necesaria separación, permitiendo también la recuperación de subproductos valiosos.

Los procedimientos empleados en la extracción se clasifican, convencionalmente, en dos grandes grupos: hidrometalúrgicos y pirometalúrgicos. En los primeros (hidrometalurgia) el mineral, o su concentrado, se trata con un disolvente adecuado (lixiviación) y de la solución así obtenida se separa el metal por precipitación en forma de algún compuesto insoluble o reducido al estado metálico, o por desplazamiento con una resina o intercambio iónico. Se emplea principalmente en el beneficio de minerales pobres. Recientemente se han incorporado a la m. las técnicas de ingeniería química a altas o bajas presiones y temperaturas, y el empleo de disolventes no acuosos, empleándose en la extracción y afino de metales escasos o muy puros, y van ganando terreno a los procedimientos clásicos, realizados en condiciones normales.

En los procedimientos pirometalúrgicos, el mineral o sus concentrados se tratan a elevadas temperaturas con agentes reductores y como esta elevación de temperatura, generalmente considerable, afecta a grandes masas de mineral, ello constituiría una muy importante limitación para el procedimiento si no tuviera otras ventajas. Éstas son: 1) Cuanto más alta sea la temperatura menores serán las barreras energéticas (energías de activación) que se opongan a las reacciones químicas que interesen, cuya velocidad de reacción se duplica o triplica ya para una elevación de temperatura de sólo 10° C. 2) La agitación térmica en los sólidos y la fluidez de las fases líquidas -que aumentan con-la temperatura- facilitan la cinética de las reacciones sólido-gas, sólido-líquido, líquido-líquido y líquido-gas, que están afectadas por fenómenos de transporte y que casi siempre están presentes en los procesos pirometalúrgicos. 3) A temperaturas elevadas se favorece la necesaria separación del producto deseado de la ganga, por la posible aparición en dos fases diferentes; p. ej., dos líquidos (metal+escoria) de distintas densidades, o un vapor (sublimación o destilación).

Sin embargo, aunque estos aspectos son importantes, lo es aún más el efecto de la temperatura como variable independiente en la termodinámica de las reacciones pirometalúrgicas, si se tiene en cuenta que, en cada caso, debe encontrarse el agente reductor y las condiciones operatorias más adecuados para poder trabajar a las temperaturas más bajas posibles. No debe olvidarse que los procedimientos electrolíticos de reducción (reducción directa por electrones) pueden ser los más enérgicos de todos y resultar competitivos siempre que puedan satisfacerse las demandas de potencia eléctrica y otras condiciones esenciales, como pueden ser un disolvente adecuado para el compuesto iónico de que se parta.

Cualquier proceso de extracción ha de pensarse para una determinada materia prima -el mineral- que se originó en una serie de reacciones geoquímicas, en virtud de las cuales los elementos se separaron y repartieron en las distintas fases que, sucesivamente, aparecieron a partir de la mezcla homogénea de gases en que todo se inició.

Un determinado elemento químico y, por supuesto, un metal, puede, pues, encontrarse en formas radicalmente distintas. El hierro, p. ej., acompañado del titanio, níquel, cromo y azufre, es uno de los elementos de los minerales pesados y refractarios que se depositaron en la primera cristalización (hasta 1.200° C), y también -junto con magnesio, calcio, manganeso y aluminio- en la segunda(entre1.200 y 500° C), e incluso en los productos de erosión resultantes de oxidación, hidrólisis y floculación, junto al manganeso.

Para cada elemento metálico deseado, conviene seguir, de esta forma, su historia. El trabajo de los grandes geoquímicos (Goldschmidt), cristalógrafos (Bragg) y químicos (Pauling) ha proporcionado los conocimientos necesarios para establecer las vicisitudes químicas por las que pasaron hasta llegar a su actual estado y distribución. Para alcanzar esto, los elementos se han comportado de acuerdo principalmente con el tamaño, carga y polarizabilidad de sus iones, que, a su vez, son función de sus estructuras atómicas. El sistema periódico, por tanto, es el punto de partida ideal para clasificar los minerales de interés metalúrgico. Hulme repartió los elementos metálicos en cinco categorías (v. tabla superior).

En el contorno 1 se han reunido los metales más reactivos; forman compuestos iónicos en los que el metal es el ion positivo, y el incremento de energía libre, áG, en las reacciones de formación de esos compuestos, es grande y negativo (la energía libre, G, es una propiedad extensiva de un sistema, cuya variación mide la tendencia de una reacción a verificarse; en el equilibrio oG=0). Los metales incluidos en este contorno se extraen por métodos electrolíticos (reducciones enérgicas)

En el contorno 2 se reúnen los metales alcalinotérreos -también muy reactivos y electropositivos- que forman compuestos iónicos. Sus minerales más importantes los constituyen carbonatos y sulfatos insolubles. Se extraen también por procedimientos electrolíticos.

El contorno 3 incluye metales reactivos de valencia más elevada y presentan una relación de carga/radio iónico favorable para el enlace covalente y la formación de oxiácidos en los que el metal está en el anión. Tienen gran afinidad por el oxígeno. Pueden extraerse por reducción o desplazamiento, pero también se emplean métodos electrolíticos.

Los metales reunidos en el contorno 4 están particularmente asociados con el azufre. Su extracción requiere, casi siempre, una tostación previa del mineral para formar el óxido correspondiente, que luego se reducirá, o se disolverá por lixiviación.

Por último, el contorno 5 reúne a los metales nobles cuyos compuestos tienen un OG pequeño e incluso positivo para la reacción de su formación. Se presentan porello en estado nativo o en compuestos fácilmente reducibles. La hidrometalurgia del oro es un notable ejemplo. Esta clasificación no puede ser rigurosa, ya que un determinado metal puede aparecer, en su estado natural, en diferentes combinaciones químicas. Así, el mercurio, estaño y cobre se encuentran, además, nativos; el estaño y el cobre también en forma de óxidos (casiterita y cuprita); el cobre como carbonato básico (malaquita y azurita). Los minerales más importantes de hierro son óxidos (o carbonatos) y el cinc y el plomo se encuentran también como carbonatos. Pero estas excepciones no modifican la tendencia general expuesta ni en cuanto a cómo se extraen.

Intervienen, además, en la elección de un proceso de extracción las siguientes circunstancias:

a) El mineral puede ser rico o pobre; fácil o difícil su explotación. Estar cerca o lejos de fuentes de energía (carbón, electricidad, gas, etc.); tener o no impurezas importantes, sobre todo en cuanto a la calidad de éstas, o, por el contrario, dar lugar a subproductos interesantes.

b) Se puede pensar en extraer grandes o pequeñas cantidades del metal. Las enormes cantidades de hierro que se necesitan, p. ej., difícilmente podrían extraerse por otro procedimiento que la reducción con carbón; sin embargo, la posibilidad de utilizar diversos procedimientos se amplía cuando la cantidad de metal a extraer es pequeña. Puede tenerse en consideración, p. ej., la reducción del trióxido de molibdeno por hidrógeno.

c) A veces hay que satisfacer unos condicionantes económicos en relación con el suministro de mineral, su tratamiento previo a la reducción, la reducción en sí, la purificación o afino, y el empleo de subproductos.

d) Puede interesar lograr directamente un producto de adecuada pureza con el que se evite el afino, a veces muy difícil. Cuando, como en el titanio, la pureza es muy importante, este aspecto pasa a ser decisivo.

e) La aparición de nuevas técnicas, como han sido el intercambio iónico (empleado, p. ej., en la recuperación de uranio) o la extracción con disolventes.

f) La posibilidad de explotar propiedades específicas del metal a obtener, como puede ser la del níquel formando carbonatos volátiles, o la del oro y plata al formar complejos solubles.

En líneas generales, así se llega a metales elementales pero impuros que se afinaban o purificaron, hasta hace poco, sólo para lograr materiales base para la preparación de aleaciones. El metal intrínsecamente puro empezó a interesar "recientemente durante el estudio fundamental de la estructura y propiedades de los metales y sólo pudo desarrollarse cuando paralelamente lo hicieron las técnicas de análisis que pudieron determinar la naturaleza, distribución y estado de combinación de las impurezas presentes. Hace sólo 40 años que Smithells llamó la atención sobre las notables propiedades de estos metales espectroscópicamente puros; ahora hay ya que contemplar a la luz de la estructura "fina" de los metales el papel de sus impurezas, pensando, p. ej., que los átomos extraños en solución intersticial (v. ALEACIONES) dan lugar a una intensa deformación local y a endurecimiento de la solución sólida segregándose en las dislocaciones (v. METALES) y aumentando el valor del esfuerzo necesario para desplazar el defecto.

En cuanto a las propiedades químicas, interesan sobre todo al metalurgista, en relación con su resistencia a la corrosión. El comportamiento químico de cualquier metal implica, casi siempre, una disolución anódica u otro proceso anódico, es decir, el paso de un metal de su estado metálico, en el que está asociado a electrones, al estado de combinación, en el que está asociado con aniones, y ello bajo la influencia de un gradiente de potencial eléctrico.

Resumiendo, la mayor parte de los metales se presentan en la naturaleza en una forma oxidada (óxidos, sulfuros, cloruros, carbonatos, etc.); así se llega al elemento por reducción química o electroquímica. Las reacciones que ello implica son relativamente simples; el problema está en realizarlas sobre toneladas de mineral complejo y de forma económica. Por otra parte, cuando el metal o aleación entra en servicio y se expone a la acción de su medio ambiente, tienden a producirse espontáneamente acaso las mismas reacciones químicas en sentido inverso. El metal pasa de su estado metálico al oxidado, es decir, se corroe. Así queda definida la tarea más importante del químico metalurgista: obtener los metales a partir de sus menas y conservarles en estado metálico.

Metalurgia física. El metal o la aleación tienen una naturaleza física, tanto en el estado líquido como en el sólido, cuyo íntimo y profundo conocimiento importa mucho no sólo para comprender sus peculiaridades como materiales, sino para aprovechar mejor sus singulares propiedades. Para ello ha sido necesario que la ciencia física haya puesto también al servicio de la metalurgia sus técnicas propias.

Así resulta que el pedazo de metal que sorprende, p. ej., por su reflectividad y por su tacto frío, no es en su intimidad un mundo inanimado, aunque no sea materia viva. Por el contrario, soporta una incesante actividad: los electrones se mueven de un lado a otro a enormes velocidades, y los mismos átomos, aunque ocupando lugares en el espacio bien definidos por la rígida geometría del cristal, pueden desplazarse o intercambiar posiciones cuando el metal es un sólido. A ciertas temperaturas los átomos de un cristal metálico pueden reagregarse rápidamente y adoptar una disposición distinta, como ocurre en el acero templado, en el que esto sucede en milésimas de segundo aun a temperaturas inferiores a 0° C, resultando así la estructura martensítica, de tan importantes propiedades y aplicaciones. También cuando recristaliza (se reordena) un metal endurecido por deformación en frío (agrio) se movilizan los átomos hacia sus posiciones en el nuevo cristal. Los tratamientos térmicos implican, análogamente, desplazamientos atómicos que, como en el caso del duroaluminio (Al+Cu) después de templado, y por simple reposo a temperatura ambiente, conducen a la precipitación en determinados puntos del sólido cristalino de pequeñísimos y muy dispersos agregados de un compuesto (A12Cu) que endurecen la matriz del aluminio (endurecimiento por precipitación).

Ejemplos de la base científica de algunos avances de tipo práctico los constituyen la superconductividad, fenómeno físico que ha cobrado enorme interés metalúrgico una vez que se ha descubierto la posibilidad de construir ingenios aprovechando esta propiedad de los metales a muy bajas temperaturas.

La m. física empezó a manifestarse como entidad bien diferenciada cuando Sorby, en la segunda mitad del s. xix, introdujo la técnica metalográfica para observar las estructuras de los metales y aleaciones a la luz del microscopio óptico (v. METALOCRAFíA). Aproximadamente al mismo tiempo la terminodinámica aclaraba los equilibrios entre fases aportando una base científica al estudio de los sistemas aleados. El estudio sistemático de esos sistemas con el microscopio de luz visible abrió el camino a la m. física, al explicar, por lo menos en parte, el efecto del carbono en los aceros. así como sus efectos en relación con la estructura de temple y de revenido; se racionalizaron también las estructuras de las aleaciones más consagradas entonces (latones y bronces), quedando establecido el primer método para el desarrollo sistemático de aleaciones con ciertas propiedades. El microscopio continúa siendo el instrumento más universal y útil del metalurgista físico.

Sin embargo, la primera evidencia directa de la disposición atómica cristalina en los metales se obtuvo por difracción de Rayos k hacia 1920, y ello constituyó la consagración de la m. física.

Por último, cuando a partir de 1930 la teoría cuántica aplicada a átomos y electrones iba quedando bien establecida, suministró el conocimiento necesario para poder contemplar una teoría del estado metálico que pudo explicar lo que realmente representa un metal y por qué conduce la electricidad. La teoría de las aleaciones se puso también en marcha una vez que se comprendió la , naturaleza de las fuerzas que mantenían unidos a los átomos. La corrosión se demostró experimentalmente que era un proceso tan eléctrico como químico, y se explicó la movilidad de los átomos en los metales acudiendo a ciertas imperfecciones en los cristales (dislocaciones y vacantes). En años recientes, la necesidad de nuevos materiales para las industrias aeronáutica y astronáutica, nuclear y eléctrica, ha estimulado a la ciencia físico-metalúrgica, que ha incorporado a sus técnicas de observación el microscopio electrónico y el de campo iónico, que permiten alcanzar la dimensión atómica.

Metalurgia mecánica. Los materiales que exige la moderna tecnología condicionan tanto el desarrollo de ésta que, desde este punto de vista, la m. ha pasado a ser una rama de un tronco más amplio que se conoce como Ciencia de los Materiales, que incluye, además de los metales, productos cerámicos, vidrios, polímeros, plásticos orgánicos, madera y piedra. Sin embargo, los metales siguen destacados, y virtualmente insustituibles en muchas aplicaciones constructivas, hasta el extremo de que cualquiera puede apreciar que la sociedad actual y la previsible serían inconcebibles sin los metales. En los modernos países industrializados puede estimarse que la producción de metales y productos elaborados con ellos representa aproximadamente la quinta parte del producto nacional bruto.

Lo más importante de los metales con respecto a sus características mecánicas es la combinación de resistencia y plasticidad que presentan (ductilidad y maleabilidad). Precisamente debido a su plasticidad se les puede dar la forma deseada por estampación, por trefilado, por laminado, por forja o por extrusión, y debido a esa misma plasticidad los metales resistentes pueden ser, además, tenaces, es decir, resistentes al choque y a los golpes. Las ventajas que se obtienen por el trabajado en frío (aumento de dureza y resistencia) o en caliente (por su mayor ductilidad a elevadas temperaturas, y su posible soldadura por presión) eran bien conocidas de los antiguos herreros o artesanos. Recientemente se han incorporado a este campo nuevos procedimientos como la forja del acero en frío, lubricando con sustancias adecuadas a las grandes presiones en que se opera; el hechurado o conformado por explosión; y el conformado bajo presión hidrostática para evitar la formación de grietas en los metales y aleaciones más frágiles hasta hace poco imposibles de trabajar.

La m. mecánica se pone en relación con la m. física para poder explicar, a escala atómica, estas propiedades mecánicas tan útiles, para comprender los procesos intuitivamente desarrollados y para orientar los trabajos de investigación hacia los nuevos. La teoría de la plasticidad, una nueva rama de la mecánica aplicada, se ocupa de estos problemas.

Para que una pieza o estructura metálica entre en servicio con un mínimo de garantía, la m. mecánica ha tratado de comprender las propiedades básicas de estos materiales, de medirlas, de ensayarlas, de mejorarlas y de conservarlas, ocupándose incluso de que ni rompa frágilmente, ni colapse plásticamente, ni ceda por fatiga, que también los metales se cansan.

FELIPE A. CALVO

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