7. METAL·LÚRGIA I SIDERÚRGIA

7.1 El procés metal·lúrgic

Només alguns metalls es poden trobar en estat pur en la natura (or, plata, mercuri, platí i coure)

Per obtenir metalls cal seguir un procés:

Objecte metàl·lic

Mina

Metal·lúrgia:

Siderúrgia:

Els metalls es troben als minerals combinats químicament amb altres elements. Els compostos més comuns són:

Compost Composició Exemple

òxids hematites

sulfurs galena

carbonats magnesita

Per separar el metall dels altres elements amb que es combina cal utilitzar sovint processos químics i temperatures elevades: Reducció:

Exemple de la reducció d’òxid de zinc amb carbó:

Un mineral està format per: Mena: Ganga:

El primer procés que cal aplicar després de l’extracció és l’enriquiment:

Característiques del ferro pur: Punt de fusió: Color: Propietats:

Aplicacions: a causa de la baixa resistència mecànica i de la gran tendència a la corrosió, no té gaires aplicacions en estat pur. Així doncs l’utilitzem en aliatges.

Aliatge:

7.2 El procés metal·lúrgic

Aliatges ferro + carboni Acers:

Aliatges de Fe amb un % de C entre 0,1 i 1,76 És forjable (deformable colpejant-lo en calent) S’hi poden afegir altres elements per obtenir acers aliats Acer baix en carboni (< 0,3%) tou, poc resistent, dúctil i

tenaç. S’utilitza per carrosseries d’automòbils, bigues... Acer alt en carboni (>0,6%) dur i resistent, però poc dúctil i

tenaç. S’utilitza per eines de tall, motlles... També són aptes per a tractaments tèrmics que en milloren les propietats.

Foses: Aliatges de Fe amb un % de C entre 1,76 i 6 No és forjable, permet l’emmotllament per la seva fluïdesa Fosa blanca: s’utilitza per cilindres Fosa gris: bancades de màquines, pistons...

Diagrama d’equilibri Fe-C

7.3 Siderúrgia: obtenció de l’acer

L’acer s’obté als alts forns Un alt forn està format per una estructura d’acer

recoberta interiorment per material ceràmic refractari.

Les matèries primeres que entren a l’alt forn són: Mineral de ferro (òxid) Carbó de coc Pedra calcària (CaCO3)

L’alt forn produeix ferro colat, amb un contingut de C al voltant del 4%. Cal una segona transformació per obtenir acer (anomenada descarburació, ja que redueix en % de C). Es pot fer en convertidors o en forns.

Alt forn

CONVERTIDOR D’OXIGEN

Forn elèctric

7.4 Tractaments tèrmics

L’acer és important a la indústria perquè en podem obtenir una gran varietat de diferents propietats. Bona part d’aquestes varietats s’obtenen mitjançant tractaments tèrmics.

Els tractaments tèrmics consisteixen a sotmetre a l’acer a canvis controlats de temperatura (escalfaments i refredaments)

Per aplicar els tractaments, hi ha dos valors de temperatura molt importants: AC1: comença a aparèixer el constituent austenita AC3: tota la massa d’acer es transforma en austenita

El tremp

Elrevingut

La recuita

El normalitzat

Tractaments d’enduriment superficial

La cementació:

La nitruració:

8. ELS METALLS NO FÈRRICS

8.1 El coure És un dels poc metalls que es poden trobar en estat natural

a la natura. El coure pur és dúctil i tou, de manera que se li pot donar

forma colpejant-lo. Quan es deforma en fred, augmenta la seva duresa i

resistència. Aquest fenomen és conegut com ACRITUD.• PROPIETATS: tou, dúctil, mal·leable, es pot treballar en

fred i presenta acritud, bon conductor elèctric i tèrmic, resistent a la corrosió.

• APLICACIONS: cables elèctrics (50% de Cu obtingut), calderes, forns, tubs de conducció d’aigua i gas, recipients, base per a l’elaboració d’aliatges.

Aliatges del coure Llautó

Aliatge de coure i zinc (Cu+Zn). El zinc millora les propietats mecàniques del coure, baixa el seu punt de fusió i el fa més apte per a l’obtenció d’objectes per emmotllament. D’altra banda, en redueix la conductivitat elèctrica i tèrmica.

Les propietats finals (duresa, ductilitat) depenen de la proporció de zinc, tot i que els llautons amb Zn>50% no tenen aplicacions industrials, ja que són durs i fràgils.

APLICACIONS: decoració, molles, beines de cartutxos, manguitos d’instal·lacions

Aliatges del coure Bronze

Aliatge de coure i estany (Cu+Sn). Actualment s’anomenen bronzes a qualsevol aliatge del coure amb un metall que no sigui zinc.

PROPIETATS: millora la possibilitats d’emmotllament, millora les propietats mecàniques (duresa i resistència al desgast per fregament), millora la resistència a la corrosió (especialment a l’aigua de mar i als carburants) i empitjora les conductivitats.

APLICACIONS: aixetes, coixinets, vàlvules (per a la indústria del petroli), peces de maquinària naval, campanes, decoració.

8.2 Alumini L’alumini és un metall modern, no va ser obtingut en estat pur

fis al 1827. Avui en dia és el metall més utilitzat després de l’acer. El mineral que conté una major proporció d’alumini és la

bauxita. Productors: Austràlia, Jamaica, Brasil i Surinam. PROPIETATS: lleuger (el més lleuger dels metalls industrials

després del magnesi), molt dúctil i mal·leable, tou en estat pur, bon conductor elèctric i tèrmic, resistent a la corrosió per l’aire però no pel mar. Fon a baixa temperatura, per tant apte per a emmotllament. Presenta acritud.

APLICACIONS: cables elèctrics, radiadors, estris de cuina, envasos i embolcalls per a alimentació, base per a l’obtenció d’aliatges lleugers.

Aliatges lleugers Els aliatges fets a partir de l’alumini es coneixen com a aliatges lleugers. Els

elements d’aliatge habituals són: Cu, Si, Mg i Zn. Tipus:

Aliatges lleugers per a fusió i emmotllament: per obtenir blocs de motors, pistons, marcs de finestres i portes.

Aliatges lleugers per a forja o laminatge: per a la construcció aeronàutica i naval. Un exemple n’és el duralumini.

8.3 Altres metalls d’aplicació industrial

El magnesi i els aliatges ultralleugers Metall de més baixa densitat que l’alumini, baixa temperatura

de fusió, resistent a la corrosió en l’aire sec, dóna lloc als aliatges ultralleugers.

Els aliatges ultralleugers es mecanitzen millor que els de l’alumini.

APLICACIONS: peces per a aeronàutica, llançadores de telers, utillatges per a la indústria d’explosius

Titani: Resistent als esforços i a la corrosió, lleuger, car d’obtenir. Es pot

utilitzar en rellotges, indústria naval i aerònàutica. Fisiològicament inert, per tant ers pot utilitzar per implants al cos humà, pircings...

Plom: Molt dens, poca resistència mecànica, tou (es ratlla amb l’ungla),

dúctil i mal·leable. S’utilitza per revestiments de dipòsits a la indústria química i com a protecció per a les radiacions. Té un punt de fusió baix i combinat amb l’estany (60% Sn i 40% Pb) forma el material de soldadura. També se’n fan plomades.

Estany: Mal·leable, resistent a la corrosió, tou, poc resistent als esforços.

Té un punt de fusió baix (ideal per soldadura). S’utilitza molt com a revestiment antioxidant en làmines d’acer (llauna)

Zinc: Resistent a la corrosió, poc resistent als esforços. S’utilitza en la

galvanització de l’acer (zincat) per protegir-lo de l’oxidació. Níquel:

Resistent a la corrosió, mal·leable, resistent a la tracció i al desgast. S’utilitza en instrumental quirúrgic i en revestiment antioxidant de peces metàl·liques (niquelat).

8.4 Pulverimetal·lúrgia És una tècnica per obtenir materials metàl·lics a partir

pólvores foses a altes temperatures. S’utilitza per a la fabricació de: eines de tall, coixinets

autolubricants, peces amb composicions molt exactes (sense impureses).

Procés:1. Matèria primera: pólvores de metalls purs o compostos2. Compressió: les pólvores s’introdueixen en un motlle amb

la forma de la peça que volem obtenir i apliquen una pressió elevada (100.000 N/mm²)

3. Sinterització: per aconseguir una massa compacta s’introdueix la peça en un forn a altes temperatures, inferiors a les pròpies de fusió i per un temps de 15 min a 2h.

A Solsona tenim una empresa que s’hi dedica: SIMET, METalls SInteritzats, fabriquen principalment coixinets autolubricants de bronze i ferro.

9. MATERIALS NO METÀL·LICS

9.1 Els plàstics Utilitzem els plàstics industrialment des de 1950, i actualment ens

costa no trobar objectes quotidians fabricats amb algun tipus de plàstic.

Hi ha molts tipus de plàstics i les propietats poden ser molt diferents entre ells.

Per veure què és un plàstic estudiarem la composició d’un dels més utilitzats: el polietilè. Partim de l’etilè, producte obtingut a les refineries a partir del petroli.

Molècula d’etilè Monòmer d’etilè Polímer d’etilè

Els plàstics són polímers orgànics (molècules gegants de C, H, O i en menor mesura altres com Cl, N o Si). N’hi ha de naturals (cel·luosa, cautxú), artificials (cel·luloide) i sintètics (polietilè, PVC...)

Propietats comunes a tots els plàstics: Facilitat per elaborar peces acabades a partir de les

matèries primeres. Elaborar un objecte d’acer costa entre 3 i 70 cops més que l’obtenció del mateix acer. En canvi elaborar un objecte de plàstic costa 6 cops menys que obtenir el mateix plàstic. Donar forma als plàstic és un procés senzill i ràpid.

Lleugeresa. La densitat dels plàstics està entre 0,92 gr/cm³ pel polietilè i 1,6 gr/cm³ pel PVC. Un metall lleuger com l’alumini té una densitat de 2,7 gr/cm³.

Resistència als agents atmosfèrics. No cal protegir-los amb pintures ni revestiments, són força resistents a la corrosió. Això, però, també representa un problema, ja que no són biodegradables i per tant la natura no els pot assimilar.

Elaboració d’objectes de plàstic

Processos de conformació dels polímers: Extrusió: per fabricar objectes llargs, com ara tubs i perfils.

Emmotllament per extrusió i bufat: per fabricar objectes buits com ara ampolles i joguines.

Emmotllament per injecció: per fabricar objectes de formes complicades i que requereixen un bon acabar, com ara carcasses d’electrodomèstics, peces d’automòbils...

Emmotllament per escumeig: s’afegeix un additiu escumejant, es col·loca el material dins un motlle i s’escalfa. El plàstic es va escumejant i augmenta el seu volum ocupant tot el motlle. Amb aquesta tècnica es fabriquen embalatges, aïllants, farcits de tapisseries.

Emmotllament per buit: per embalatges i objectes amb formes complexes

Exercici: quin procés s’ha utilitzat en la fabricació dels següents objectes?

Estructures moleculars dels polímers Les propietats dels polímers depenen del seu grau de

polimerització i de l’estructura de les seves molècules. Així podem distingir 3 grups de polímers:

1. TERMOPLÀSTICS: plàstics que s’estoven quan s’escalfen, podent donar-los la forma que desitgem. Aquest procés és reversible i es pot repetir moltes vegades.

2. TERMOSTABLES: s’endureixen quan s’escalfen per primer cop i ja no poden tornar a ser estovats, així que només els podem donar forma un sol cop.

3. ELASTÒMERS: plàstics amb un comportament elàstic que poden ser deformats fàcilment sense trencar-se.

Els additius: substàncies que afegim als polímers per modificar les seves propietats.

• Colorants

• Ignífugs, són retardadors de flama, útils en joguines, fibres tèxtils...

• Lubricants

• Plastificants (glicerina, parafina), disminueixen la duresa i augmenten la plasticitat

• Càrregues (vidre, calcària...), milloren les propietats mecàniques

• Polímers més comuns Polietilè: termoplàstic, barat, flexible, tenaç, aïllant elèctric i resistent

a la corrosió. LDPE (polietilè de baixa densitat): bosses de compra,

d’escombraries, revestiment de cables elèctrics, plàstics per recobrir aliments...

HDPE (polietilè d’alta densitat): ampolles flexibles, tubs, joguines...

Poliestirè: termoplàstic, transparent, barat, resistent a la humitat. Pot ser escumat per obtenir EPS o porexpan, que té aplicacions com a aïllant tèrmic i acústic, així com a protector de cops.

Clorur de polivinil (PVC): aïllant elèctric, resistent als àcids. Revestiment de terres, canonades, ampolles d’oli i aigua (ara ja s’utilitza més el polietilè PET), estructures de finestres...

Polimetacrilat de metil (el que anomenem comunament metacrilat): PMMA, termoplàstic, transparent, mecanitzable, resistent ma la intempèrie. Substitut del vidre, peces d’òptica, ulleres protectores...

Polipropilè: PP, termoplàstic, lleuger, tenaç, resistent a la fatiga per flexió, a la corrosió, a la humitat, a la calor, a més és barat. És un dels plàstics amb més aplicacions domèstiques (contenidors, mobles de jardí, embalatges, carcasses d’electrodomèstics...)

Niló: resistència mecànica, tenacitat. S’utilitza per engranatges, coixinets, fibres tèxtils...

Policarbonat: PC, termoplàstic, tenaç, resistent als productes químics i a la calor. S’utilitza per indicadors lluminosos, cascos de seguretat...

Melamina: MF, termostable, rígida, tenaç, resistent, barata. S’utilitza per recobriment d’aglomerats.

Baquelita: PF, termostable, dura i resistent. S’utilitza en interruptors elèctrics i plaques de circuits electrònics.

Per saber una mica més podem anar al web:

http://www.librosvivos.net/smtc/homeTC.asp?TemaClave=1079