Ciències i Tecnologia II: Metalls, Aliatges i Morters per a Batxillerat

Ciències i Tecnologia II: Els Metalls

Ciències i tecnologia II Tema 2 -4T 2. Els metalls

Metall: material obtingut d'un o mes metalls Cristall metàl.lic: solid cristal.lins formats per agrupacions ordenades d'atoms metàl.lics Vidre metàl.lic: solids cristal-lins formats per agrupacions desordenades d'atoms metàl.lics.

Cristall Metàl·lic

Sòlids cristal·lins formats per agrupacions ordenades d'àtoms metàl.lics

• Àtoms d'un sol element
• Àtoms de diferents elements

Natural Artificial (excepte l'electre)

Artificial Mineral - Classe I Elements natius Mineraloide Aliatges

Propietats dels Metalls

• Solids
• Densitat alta
• Lluïssor metal.lica
• Duresa variable
• Punt de fusió alt
• Tenaços
• Ductils i mal-leable
• Conductors

Enllaç Metàl·lic

• entre atoms metal-lics, tenen tendencia a cedir electrons
• El nuvol d'electrons envolten els atoms i aquests es queden com a cations.
• Els electrons es mouen lliurement

Estructura i Empaquetament

Gairebé tots els metalls cristal.litzen amb alguna d'aquestes tres xarxes de Bravais:

• cúbica centrada en les cares (fcc)
• Cúbica centrada en el cos (bcc)
• Hexagonal compacta (hcp)

-- a a a b

Definicions de Propietats dels Metalls

TENACITAT: resistencia d'un mineral o metall a trencar-se, ser molt, doblegar-se ... Els materials tenaços són capaços d'absorbir molta energia cinetica de l'objecte que provoca el xoc i la transformen en deformació plastica o elàstica, evident el trencament.

• FRAGIL: es trenca facilment o redueix a pols.
• MAL.LEABLE: pot ser deformat de forma permanent en fulles primes per percussió. Lamines.
• DÚCTIL: pot estirar-se formant fils.
• SECTIL: pot ser tallar en peces petites amb un ganivet. Estructura rectangular
• ELASTIC: recupera la seva forma primitiva en cessar la força que l'ha deformat.
• FLEXIBLE: pot ser doblegat, però no recupera la seva forma original una vegada que acaba la pressió que ho deformava: la seva deformació és permanent.

Metalls en CR i Metal·lúrgia

T 2.1 Metalls en CR i metal·lurgia

Metal·lurgia: és la ciencia i tecnica de l'obtenció i el tractament dels metalls des de minerals metàl·lics, fins als no metàl·lics. També estudia la producció d'aliatges.

Processos Metal·lúrgics

Els processos metal·lurgics comprenen les fases següents:

1. obtenció del metall a partir del mineral que conté en estat natural, separant- lo de la ganga.
2. Enriquiment o purificació: eliminació de les impureses que queden al metall
3. Altres tractaments del metall per facilitar-ne l'ús.
4. Elaboració d'aliatges.

Menes dels Metalls

La major part dels metalls que podem trobar en els objectes del patrimoni provenen dels minerals

Magnetita (Fe3O4) Bornita (CusFeS4) Galena (PbS) Gibbsita Al(OH)3 Cassiterita (SnO2) Esfalerita (ZnS)

MINA Extracció + trituració molta Metall útil per a aplicacions industrials

MINERAL Separació Mena de Ganga + tractaments tèrmics i mecànics

MENA Refinació metal·lúrgica per mètodes termics

Enriquiment mitjançant tractaments mecànics (forja, ... )

MINERAL ENRIQUIT Tractaments tèrmics (tremp, revingut, ... )

METALL EN BRUT MINERIA METAL.LURGIA

MENA: mineral o associació de minerals que s'utilitza com a primera matèria per a extreure'n algun element útil, especialment un metall. És la part de la roca comercialment útil del conjunt de minerals que formen un jaciment.

Or

Principal mena: or natiu Estructura: cúbica centrada en les cares (fcc) Propietats:

• duresa: 3
• Densitat: molt alta El mes malleable i molt dúctil
• Tenaç
• Molt baixa alterabilitat

Alteracions:

• inalterable al medi ambient
• Només en jaciments pot veure's afectada per productes clorats
• Pèrdua de llustre: aparició de taques fosques

Plata

Principal menes: Element natiu i sulfurs

• plata nativa
• Galena argentífera
• Argentita (producte d'alteració del sofre s'enganxa a la plata i crea una patina negra)

Estructura: cúbica centrada en les cares (fcc) Propietats:

• duresa: 2.5
• Densitat: molt alta
• Mal.leable i dúctil
• Tenaç
• Alta conductivitat electrica (+ que el Cu)

Alteracions:

• estable en ambients humits basics o alcalins, lliures d'agents oxidants
• Molt sensible al S, forma facilment sulfur de plata - argentita

Coure

Principals menes: element natiu, sulfurs, oxids i carbonats.

• coure natiu
• Calcocita
• Calcopirita
• Cuprita
• Bornita
• Atzurita

Estructura: cúbica centrada en les cares (fcc) Propietats:

• duresa: 3
• Densitat: molt alta
• Mal-leable i dúctil
• Tenaç
• Molt alta conductivitat

Alteracions:

• s'alterava facilment, també quan forma d'aliatges, en contacte amb la humitat.
• Oxidació: formació de carbonats de Cu o òxids
• Corrosió: la formació de sals provoca la corrosió integrant-lar, taques verdós es de clorurs pulverulents que s'expandeixen i acaben provocant pèrdua de matèria.

Plom

Principals menes: element natiu, sulfurs, sulfats, carbonats, oxids

• galena
• Anglesita
• Cerrussita
• Mini
• plom natiu

Estructura: cúbica centrada en les cares (fcc) Propietats:

• duresa: 1,5
• Punt de fusió: 327,5 C
• Densitat: molt alta
• Mal.leable i dúctil
• Tenaç
• Alta toxicitat

Alteracions:

• s'oxida rapidament, cobrint-se d'una fina patina blanca, carbonat de plom, augment de volum. També es poden formar clorurs o nitrats
• En fases de corrosió avançada i ambients àcids es poden formar sulfats de Pb

Ferro

Principals menes: oxids i carbonats

• hematites Magnetita
• Limonita
• Goethita
• Siderita

Estructura: cúbica centrada en les cares (fcc) Propietats

• duresa: 4
• Densitat: 7,8 g/cm
• Mal.leable i dúctil
• Tenaç
• Propietats magnétiques

Alteracions:

• tendeix a tornar rapidament al seu estadi mineral per oxidació, seguida de corrosio, en entrar en contacte amb el vapor d'aigua atmosfèric (corrosió electroquímica/galvanica)
• La precipitació de clorurs de Fe provoca la formació de HCI, que accelera el procés de corrosió, ja que és àcid i ataca el ferro (corrosio per acció química).
• Per l'acció de bactéries sulfatoreductores es poden reduir els sulfats de Fe a sulfurs d'hidrogen i de Fe (corrosió bioquímica)

Altres Metalls

Altres Antimoni Alumini Bauxita (mescla d'AI) Cassiterita (SnO2) Esfalerita (ZnS) Molibdè Crom Níquel Pentlandita ((Fe,Ni)gSg) Garnierita (serpentina de níquiel)

Molibdenita (MOS2) Cromita (Mg,Fe)(Al,Cr)O4 Estany Zinc Estibina (Sb2S3)

Grups de Minerals Utilitzats com a Menes

Quins grups de minerals son els mes utilitzats com a menes de metalls? Segons la composició

• Classe 1) Elements natius
• Classe 2) Sulfurs i sulfosals
• Classe 3) Halogenurs
• Classe 4) Oxids i hidroxids
• Classe 5) Carbonats (CO3-), nitrats i borats
• Classe 6) Sulfats (SO42-), cromats, molibdats i wolframats
• Classe 7) Fosfats, arseniats i vanadats
• Classe 8) Silicats (SiO2)

Silicats No-Silicats

Procés Metal·lúrgic

Procés metal·lúrgic Extracció de les menes de metalls:

• mines en galeries
• Explotació a cel obert
• Extracció per batuda

1. Preparació dels Minerals

1. Preparació dels minerals Se sotmet el mineral a un tractament mecanic per concentrar la part metàl.lica i eliminar elements perjudicials. Es complementa amb un tractament termic. Canvis químics generant un producte intermedi entre el mineral i el metall i faciliten l'extracció.

1.1. Tractament Mecànic dels Metalls

• trituració: per aixafament (30- 50mm)
• Molta: molí de boles dins un tambor ( 1-20mm)

1.2. Separació dels Minerals

La separació mena-ganga es basa en diferencies de propietats físiques de la ganga i de l'element metàl.lic

Gravetat (èmbol o arrossegament) Flotació Magnètica Lixiviació

1 0- 1 O S H2SO air Figura 3 .- Procesos de Concentración de minerales.

1.3. Tractament Tèrmic dels Minerals

Produeix una modificació química en els metalls, amb la finalitat d'obtenir un producte més facil de tractar posteriorment.

• calcinació (carbonats) i torrada (sulfurs): escalfar el mineral fins a altes temperatures per dissipar la seva materia volatil.
• Reducció: etapa final a altes temperatures de la fosa: l'oxid es converteix en metall elemental en un ambient reductor.

Mineral, piedra caliza y coque carbs moltipas? CO, CO2, NO2- 250°℃ 600°℃ Tobera para suministro de aire caliente 1000°℃ Boquilla de soplado de aire caliente (una de muchas) 1600°℃ Escoria Hierro fundido Salida de hierro fundido -> atan acid el metal dissolti para a estar en solució proces quimic -7

2. Afinament o Purificació dels Metalls

•2. Afinament o purificació dels metalls Extracció de particules estranyes principalment de carboni mitjançant una fosa del metall que posteriorment serà utilitzat com a tal o per formar aliatges. Depenent del sistema de fosa i els tipus de forns utilitzats podem distingir diferents tipus de'afinament:

• al gresol
• A l'aire
• Al forn electric

3. Altres Tractaments

3.1. Tractaments Mecànics

Conjunt de tractaments mecanics que milloren les propietats d'un metall o aliatge en modificar l'estructura microcristallina, afavorint la cohesio interna dels cristalls que formen els metalls.

La Forja

Procés de martellejat i premsat, generalment en calent crea en el metall una estructura fibrosi que mai no és completament destruïda i millora les propietats de les peces, augmentant la compacitat de la seva textura.

El Laminat

Compressió en làmines d'un metall en calent. S'obtenen làmines o planxes gràcies al fet que es fa passar el metall per un o diversos rodets que giren en sentit contrari.

Trefilat

Permet obtenir filferros de gran longitud amb relació al diametre i de perfil constant. S'efectua forçant el pas d'aquest filferro a través d'uns forats de diàmetre determinat. Cada passada pel material produeix tensions pel que aquest deu ser sotmès posteriorment a un tractament de recuit.

3.2. Tractaments Tèrmics

Conjunt de tractaments termics (els cristalls augmenten) que milloren les propietats d'un metall o aliatges en modificar l'estructura microcristal.linia, afavorint la cohesió interna dels vidres que formen els metalls.

Recuit X° Temperatura Tremp Reveniment referentement lent lo Tiempo Normalitzat refredament rapid

En funció de les propietats que vulguem aconseguir i de la composició de l'acer, les temperatures de recuit, normalitzat i retingut seran diferents.

Quin aspecte presenta l'acer després d'aquests processos?

Recocido completo Recocido globular Recocido de recristalización Temple Normalizado

Tremp

Escalfament del metall seguit d'un refredament ràpid. (Submergint en aigua, oli, aigua amb sals ... )

• el metall adquireix i conserva l'estructura cristal-línia propia al nucli, però es forma una nova estructura a les vores
• Augmenta la duresa del metall
• + fragilitat

El Recuit

Escalfament seguit d'un refredament lent (cendres calentes)

• el metall recupera la ductilitat i tota la plasticitat

Reveniment

Reescalfament que es manté durant un cert temps a una temperatura aprox. De 600 C

• es redueix la fragilitat, augmenta l'elasticitat
• Disminueix lleugerament la duresa
• Pot millorar el Tremp original

3.3 Tractaments Termoquímics

Climentació

Climentació: recobriment del metall amb una materia rica en C i sotmetre-la durant diverses hores a altes temperatura

• nucli: baix index de C, tenac i resistent a la fatiga
• Superfície: mes C, mes dura, resistent al desgast i a les deformacions

Nitruració

Nitruració: procés pel qual afegim nitrogen al metall. Proporciona duresa superficial a les peces, per absorció de nitrogen mitjançament escalfament en una atmosfera de nitrogen.

3.4. Tractament de Recobriment

Cromat

Cromat: s'utilitza com a protecció de nombrosos objectes així com per a objectes que han de mantenir un aspecte brillant.