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 técnicapeligrosa 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 granhomenaje al dios artesano del fuego y del metal.La época moderna ha puesto a la Metalurgia en el sitial que le correspondeentre 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 ypropiedades adecuadas para el uso. La mayoría de la gente la conoce sólo como un arteantiguo y misterioso. Es cierto que tuvo su importancia en la historia antigua, sacándonosde 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 misterioalquímico; no había ciencia de los metales para racionalizar e iluminar el mundo medievalde 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 enciencia ficción es respetable sin su propio secreto "Metal Maravilloso". Este misterio puedeser un legado del pasado, pero también es un reconocimiento inconsciente de los muchoslogros del metalurgista moderno en la producción de nuevos metales y aleaciones paraturbinas a propulsión a chorro, reactores nucleares, circuitos electrónicos y otras partes deavanzada de Ingeniería. Estos éxitos no son productos de una vieja magia negra, sino quela 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 yaleaciones. El misterio de los modernos "Metales Míticos", es consecuencia del simplehecho que esta ciencia es demasiado nueva como para haberse filtrado hacia los niveles más elementales de la educación científica.

1.2 METALURGIA QUÍMICALa parte más conocida de esta materia es la Metalurgia Química. Ella trata de todas laspropiedades químicas de los metales, incluyendo la unificación de los diferentes metalesentre sí, para formar aleaciones, pero una parte muy grande de ella concierne a lasreacciones oxidación-reducción de metales por dos razones prácticas. Primero, la mayoríade 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 MetalurgiaExtractiva es un proceso de reducción química. Las reacciones químicas básicas delcaso son a menudo simples; el desafío científico en esta parte de la materia es lograr queestas reacciones se produzcan económicamente en escala masiva. Segundo, cuando elpedazo 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. Elmetal se invierte del estado metálico al estado oxidado, en otras palabras, se oxida ocorroe. La labor principal del Metalurgista Químico es así llevar los metales a su estadometálico y luego mantenerlos ahí.Los orígenes de la Metalurgia Extractiva se remontan hacia la pre-historia. Los primerosdescubrimientos deben haberse hecho accidentalmente en los fuegos de campamentos yfogones donde piedras de minerales metálicos fácilmente reducibles pudieron serconvertidos a metal por el calor y las llamas reductoras. El cobre, plomo y estaño estabanentre los primeros metales por esos procesos de fusión, más de 5.000 años atrás. Nomucho después se hizo la aleación bronce, usualmente 10 partes de cobre a una deestaño, por fusión de una mezcla de minerales de ambos metales y fue muy preciada porsu 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 decobre 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 deeste metal no permitió producirlo en forma líquida. En vez de esto se produjo una mezclapastosa, porosa de hierro-esponja mezclado con escoria, ésta se compactaba mientrasestaba caliente y blanda, mediante golpes o forjado con martillo, haciendo algo así comohierro forjado. La necesidad de obtener más altas temperaturas para lograr una mayorproducción condujo de la evolución del fogón hacia el alto horno, con un chiflón de airedirigido hacia la zona caliente, encima del fogón y sobre el cual hay una especie dechimenea cerrada, por la cual desciende el mineral y el combustible carbón vegetal.Un gran avance ocurrió en el siglo XIX. Se alcanzaron temperaturas suficientemente altascomo para producir hierro líquido. El alto horno pudo entonces ser operado en formacontinua, siendo "sangrado" periódicamente para dejar escurrir la cantidad de hierro líquidoque 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% enpeso de carbono disuelto, que provenía del combustible del horno, este carbono disminuyeenormemente 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 alcarbono, que forma láminas de grafito y un carburo de fierro, y otras impurezas, y así nopuede ser usado para lo mismo que el hierro esponja forjado. El problema de convertirarrabio a una forma dúctil por eliminación del carbono fue resuelto por CORT en el sigloXVIII 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 finesdel siglo XIX.El delicado control del carbono necesario para producir "Hierro Dulce" (aprox. 0,25% decarbono) estaba más allá de los alcances de la Metalurgia de aquellos días. Pero, tambiénse hacía un tipo de "acero de herramientas" para espadas y utensilios de corte, quecontenía 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 aquellostiempos por el proceso de "cementación" en el cual el hierro esponja forjado se calentabaen carbón vegetal, en 1740, Huntsmsn hizo acero de herramientas fundiendo fierros dediferente contenido de carbono en un crisol, lo que fundó la industria de cuchillería deSheffield. Pero el descubrimiento del acero barato de bajo carbono que puede hacerse engran 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 elproceso de fabricación de acero Siemens-Martin que permitía fabricar aceros a partir dechatarra, así se había iniciado la era moderna del acero.La electricidad juega un papel importante en muchos procesos modernos de extracción. Elpaso decisivo fue el proceso Hall-Héroult para la producción comercial de aluminio,anunciado en 1886. Muchos otros metales tales como magnesio, sodio y calcio, tambiénson ahora usados para producir los metales "modernos" tales como titanio, zirconio, uranioy niobio.La ciencia de la Metalurgia Extractiva se desarrolla rápidamente en los años recientes, conla aplicación de la termodinámica y la teoría de cinética de reacción a sus problemas. Latermodinámica de las reacciones metalúrgicas está ahora bien establecida, pero hay aúnmuchas oportunidades para más avances, tanto científicos como tecnológicos, en elestudio y control de la cinética de reacción.Muchos de los procesos más nuevos de extracción tales como el proceso de fabricaciónde 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 MECÁNICALa Metalurgia es una rama de una materia más amplia, conocida como "Ciencia de losMateriales 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 decontenido autosuficiente es, obviamente, debido a la importancia extraordinaria de los

metales como materiales de construcción. Nuestra sociedad como la conocemos seriatotalmente imposible sin metales. La producción de metales y bienes metálicos representamás 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 combinaciónde alta resistencia con posibilidad de cambiar su forma plásticamente (ductibilidad ymaleabilidad). Esta plasticidad permite conformarlos, por ejemplo, a barras, latas deconservas, carrocería de automóviles, etc., por procesos de elaboración plástica demateriales tales como prensado, embutidos, laminado y forja. Aún más importante, estamisma plasticidad le da a los metales resistentes la extraordinaria tenacidad que es lahabilidad para resistir todos los golpes y choques del largo y duro servicio sin que sequiebren o desmoronen. Metalurgia Mecánica trata de todos estos aspectos, en particularcon la elaboración plástica de metales, el ensayo de propiedades mecánicas, lasrelaciones entre estas propiedades y el diseño de Ingeniería, las relaciones de materiales yel comportamiento de metales en servicio. Es la parte más antigua de la Metalurgia. Losprimeros metales conocidos, cobre, plata, oro se encontraron en forma nativa, comopepitas metálicas. Los meteoritos fueron una fuente de aleaciones hierro-níquel. Todosestos metales encontrados en forma natural son maleables y desde los primeros tiemposfueron conformados a ornamentos, herramientas y armas por martillado. La forja demetales se estableció ampliamente una vez que la Metalurgia Extractiva empezó a proveercobre, bronce, hierro esponja y otros metales en mayor cantidad. Los romanos hicieronuso extenso de láminas y cañerías de plomo en los sistemas de suministro de agua. Elacuñado marcado de un relieve en una superficie metálica con un punzón y un dado, fuedesarrollado tempranamente. Las ventajas de la elaboración plásticas de metales a variastemperaturas también fue reconocido, el trabajo en frío, debido a que aumentó la durezay 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 másblandos y maleables a altas temperaturas y también porque podrían ser unidos porsoldadura a presión al ser martillados uno sobre el otro en caliente.El trabajo mecánico de metales permaneció por varios siglos en gran parte, como unaindustria artesanal, tipificada por la forja del herrero. La necesidad por partes forjadas másgrandes y el uso de la potencia del vapor condujo al martinete y a la prensa de forja. Undesarrollo de importancia fue el laminador, cuyo uso se extendió en el siglo XVIII. Otrosprocesos, tales como trefilación, maquinado, y extrusión, también se desarrollaron ymuchos procesos nuevos, incluyendo la forja en frío de acero usando lubricantes a altapresión y el conformado explosivo en el cual el metal es proyectado contra la matriz por lafuerza de una explosión. El conformado hidrostático en el cual se trabaja mientras estásometido a una gran presión hidrostática para evitar fractura, parece abrir una fasetotalmente nueva en Metalurgia Mecánica permitiendo el trabajo de metales y aleacionesmás 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 teoríaatómica de metales, análogas a la teoría cinética de los gases. Aquí se le une la MetalurgiaMecánica 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 FÍSICAPocas cosas de la naturaleza parecen más inanimadas que un pedazo de metal. Elobservador solo ve su propio reflejo en la superficie brillante y quieta y nada del mundointerno. Este mundo interno, sin embargo, es un lugar de actividad incesante. Loselectrones disparan de un lado al otro a inmensa velocidad. Los átomos mismos tambiénse mueven e intercambian lugares, aún cuando el metal está completamente sólido. Loscambios de temperatura pueden hacer que los átomos se reubiquen de improviso,tomando una forma radicalmente diferente de organización. En un acero templado estopuede ocurrir en un par de microsegundos, aún a temperaturas muy por debajo de laambiente. Deformación plástica ocurre por el paso de defectos cristalinos, llamadosdislocaciones, que se mueven a alta velocidad a través del metal y ocasionandeslizamientos visibles entre masas enormes de átomos. El tráfico de dislocaciones puedellegar a ser muy denso. Se forman inmensos tacos de tráfico, que hacen que lasdislocaciones no puedan moverse y el metal se endurece. Cuando este metal "endurecidopor trabajo" es calentado (recocido) se libera de estas dislocaciones en una ola dereorganización del ordenamiento atómico (recristalización). Ordenamientos atómicoscompletamente nuevos pueden ser producidos por aleación y estos a su vez pueden sercambiados por tratamientos térmicos. Por ejemplo, cuando una aleación de aluminio semantiene a temperatura ambiente, después de templada, sus átomos de aleación semueven a través del sólido para agruparse en pequeños aglomerados, como gotitas deagua en la neblina, estos aglomerados endurecen el metal para dificultar el paso de lasdislocaciones (endurecimiento por precipitación).El estudio de todos estos efectos pertenece a la Metalurgia Física, la parte que trata de laestructura de los metales y aleaciones, con el objeto de diseñar y producir aquellasestructuras que dan las mejores propiedades. La Metalurgia Física tiene conexiones obviascon Metalurgia Mecánica, pero también tiene conexiones estrechas con MetalurgiaQuímica, particularmente en conexión con la fundición de metales, la preparación dealeaciones, corrosión y los muchos efectos de las impurezas sobre las estructuras ypropiedades 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 modocompletamente empírico, en los tiempos antiguos. Intentos llenos de imaginación paraconstruir una teoría de metales, incluyendo las ideas esenciales que los sólidos pueden sercristalinos, 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 ideasexperimentalmente en aquellos tiempos y la mayoría de los científicos preferían trabajar encampos tales como mecánica, astronomía, electricidad y química donde el progreso eramás fácil. Así se desarrolló la ciencia en la forma clásica como la conocemos por lahistoria.Un descubrimiento trascendental para la Metalurgia Física, fue desarrollado por Sorby, enla segunda parte del siglo XIX, la técnica metalográfica para la observación de estructurasde metales y aleaciones con un microscopio óptico de reflexión. La gran barrera del brillosuperficial fue penetrada finalmente, por un proceso de pulido y ataque químico pararevelar la estructura interna. Se vio entonces la estructura granular de los metales, unensamble de cristales diminutos entrelazados. Se observaron grandes cambios en lamicroestructura debido a aleación, trabajo y tratamiento térmico. Las ideas acerca de la

naturaleza de estos cambios se agudizaron rápidamente una vez que fue posibleinterpretar estas observaciones. Aproximadamente en el mismo tiempo, la teoría de latermodinámica fue clarificando lo que sucedía cuando se mezclan diferentes sustancias yesto permitió estudiar las aleaciones científicamente. La combinación de la investigaciónsistemática en aleaciones mediante microscopia óptica abrieron muchas de las puertashacia la Metalurgia Física. Los efectos del carbono en el acero pueden ser entendidos enbuena medida, tanto como los procesos de endurecimiento por temple y revenido, lasestructuras 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 dealeaciones diseñadas deliberadamente para tener ciertas propiedades.El microscopio metalúrgico aún es el mismo instrumento más útil de uso general con quecuenta el metalurgista físico. No se pudo por cierto, dar prueba directa del ordenamientoatómico cristalino en los metales, aunque dejó poco lugar para dudas. La prueba directatuvo que aguardar hasta el descubrimiento del método de Difracción de Rayos X, cuyaaplicación introdujo la segunda fase de importancia de Metalurgia Física en 1920. Tambiénse prepararon monocristales de metales, en ese tiempo, y sus propiedades mecánicasexplicaron buena parte de los procesos de deformación plástica.Los próximos grandes avances fueron teóricos. A principios de 1930 la teoría cuántica deelectrones y átomos había llegado a ser suficientemente poderosa como para prever unateoría real del estado metálico, que podía explicar en que consiste realmente un metal ycomo conduce la electricidad. Las fuerzas que mantiene juntos a los átomos pudieronentonces ser entendidas y se inició la teoría de las aleaciones.Se vio que la corrosión es (y demostrada experimentalmente) tanto un proceso eléctricocomo químico y la movilidad de átomos en metales fue explicada en término de ciertosdefectos bien definidos en la estructura cristalina (dislocaciones y vacancias). Lametalurgia teórica fue forzada aún más lejos en los años inmediatamente después de lasegunda guerra mundial por la necesidad de desarrollar metales y aleaciones que pudieranresistir altas temperaturas para turbinas a reacción, o aquellas que pudieran resistirradiación nuclear dañina en reactores nucleares y la demanda de materiales especiales ausarse en la industria eléctrica. Aún más recientemente, los experimentos han vuelto atomar delantera debido al desarrollo del extremadamente poderoso microscopio electrónico y técnicas de microscopia de campo iónico, que permite observar la estructurade los metales a escala atómica. El estudio de dislocaciones y estructuras atómicas enmetales ha llegado a ser principalmente una ciencia experimental.Los innumerables avances que han ocurrido en el campo de la ciencia básica de losmetales en los años recientes han dejado el considerable problema de dirigirlos todos yconvertirlos en un avance correspondiente en las ciencias aplicadas. No obstante, ahorapodemos ver claramente como diseñar las microestructuras de metales y aleaciones demodo de desarrollar las propiedades básicas para los mejores efectos. Algunas de lasnuevas micro-estructuras propuestas son muy diferentes de las tradicionales y hay un grandesafío tecnológico para llevarlos a cabo en gran escala comercialmente. En cuanto a laciencia básica hay aún muchas áreas en las que quedan problemas fundamentales quetienen particularmente que ver con la teoría de aleaciones, con metales líquidos y con laspropiedades mecánicas más complejas tales como fatiga de metales.

La dificultad de este problema no debe ser subestimada. Las cualidades que ayudan a serun buen investigador, habilidad de fijar la atención en un sólo problema científico conexclusión 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 produccióndonde la amplitud de conocimientos, rápida respuesta y buen juicio intuitivo sonindispensables. Muy pocas personas serán capaces de contribuir completamente enambos lados de la materia, el científico y práctico, por lo menos no en la misma etapa desu carrera. Aún más, las cualidades que hacen un buen experimento, selección de

condiciones especiales y materiales experimentales, a desplegar los efectos críticos tanclaramente y simplemente como sea posible, control riguroso de todas las variables nodeseables a menudo conducen al experimento lejos del problema industrial que sepensaba analizar.Por esta razón, el investigador metalúrgico no puede resistir de llegar a separarse de suscolegas más prácticos. Pero él nunca debe dejar de responder al desafío de hacer que sutrabajo, sea lo más directamente relevante al de ellos, sin sacrificar los principios de labuena ciencia. El investigador metalurgista debe buscar y extractar sus problemasprecisamente del corazón de la misma industria, pero deben ser científicamente buenosproblemas. La habilidad de hacer esto, y el placer de hacerlo es a veces bastante remotoal corazón de la investigación científica pura, y el inculcar esta habilidad y actitud es quizásla principal justificación para la enseñanza de la metalurgia como una disciplina académicaseparada. El metalurgista industrial también tiene sus desafíos. El debe permanecer atentoa la ciencia y aún debe resolver sus urgentes problemas por la ruta más rápida, que aveces puede ser en gran medida empírico porque no hay tiempo para parar y llenar labase científica que falta. Juicio intuitivo, una habilidad de concebir y ensayar solucionesrápidas adhoc y seguir sin mayores preocupaciones, si fueron exitosos, son esencialesaquí.Sin embargo, una buena base de ciencia analítica es igualmente importante para disminuirla selección de posibles rutas empíricas, para coordinar todos los innumerables pedazosde información hasta obtener un cuadro coherente y para asignar valores y poner énfasissobre las varias partes del programa, para demostrar donde el camino puede ser recorridorápidamente y donde se debe hilar más fino. Este tipo de Metalurgia también es cienciaaplicada y requiere gran poder analítico.En los capítulos que siguen, trataremos de desarrollar una visión unificada de ambosaspectos lo científico y lo industrial. Aún en un curso introductorio hay una gran cantidad deciencia y aún un gran número de datos que aprender. La ciencia no puede tomar vuelo sinlos hechos o datos pero un largo recital preliminar de los datos de la Metalurgia Industrialsin la ciencia, solo es estupificador. Para sobrellevar este problema trabajaremos a travésde la ciencia, partiendo por el núcleo atómico y llegando gradualmente a las estructurasmás complejas de los metales industriales, para proveer una línea continua al tema entremanos, pero por el camino haremos hincapié en todos los puntos adecuados para mostrarcomo 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 prácticoindustrial. 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 METALES2.1. INTRODUCCIÓNLa 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 travésde 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 deminerales, los cuales contienen usualmente grandes proporciones de minerales dedesecho junto a los minerales de los metales valiosos. Una vez extraída la mezcla mineralde la mina, el primer paso a seguir es, en general, extraer físicamente los mineralesvaliosos separándolos en gran parte de la ganga. Esto se realiza triturando y moliendo losminerales para separarlos entre sí y luego concentrando aquellos minerales valiosos porprocedimientos tales como la concentración por gravedad, flotación por espuma oseparación magnética, en los cuales se aprovechan las diferencias de las propiedadesfísicas de los diferentes minerales. Estas operaciones se caracterizan por no modificar lascaracterísticas químicas de los minerales que han sido separados. Los siguientes pasosen 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 químicamentedel compuesto que lo contiene; para esto se requiere la ejecución de una amplia variedadde 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 tantoa bajas como a altas temperaturas. En general, la obtención de un metal en particularinvolucra una serie de tales pasos químicos.Una vez que el metal ha sido extraído y refinado, debe sufrir un tratamiento posterior paraadaptarlo 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 laspropiedades que determinan su utilidad posterior.Este es a grandes rasgos el panorama de la Metalurgia; es por lo tanto, en primerainstancia, un conjunto de actividades humanas reunidas con un fin común, la obtención deartículos metálicos. La importancia de unificar estas actividades en una sola cosa objetode estudio, no es del todo clara y su justificación es más bien histórica; sin embargo, cabetener presente que en la naturaleza existen alrededor de un 80% de elementos quepresentan características metálicas. Si bien el conjunto de operaciones involucradas en lafabricación de un objeto metálico presenta una unidad evidente, de acuerdo con lasecuencia de las etapas necesarias para la obtención de un producto metálico, no esigualmente evidente la existencia de una unidad científica, que conteniendo métodos oconocimientos básicos particulares, pueda llamarse “Ciencia Metalúrgica”.Sólo en los últimos años se ha hecho claridad en el sentido de que al nombre Metalurgiaresponden dos unidades del conocimiento: la Ingeniería Metalúrgica y la Ciencia Metalúrgica. Al hablar aquí de la Metalurgia como una ciencia básica que tenga algúnmétodo particular o sus propias leyes independientes del resto, queremos decir que eseconocimiento básico no está contemplado en general en otras ciencias o es comprendidoen términos diferentes en ellas. La Ingeniería Metalúrgica es una de las profesiones másantiguas del hombre, ha jugado un papel preponderante en el desarrollo de lassociedades humanas llevándolas desde la tenebrosa Edad de Piedra a la Edad de Broncey posteriormente a la Edad del Hierro; actualmente gran parte del progreso humano sesustenta en el gran desarrollo alcanzado en la elaboración de los metales. Este es unhecho indiscutible. La Ciencia Metalúrgica es relativamente nueva y está en una etapamás bien primitiva de su desarrollo. A continuación se establecen más detalladamenteestos conceptos y se muestran las divisiones internas de la Metalurgia así como losnombres usualmente empleados.

2.2. INGENIERÍA METALÚRGICALa Ingeniería Metalúrgica es el conjunto de operaciones y procesos por medio de loscuales un mineral es reducido a un metal, el cual a su vez es modificado en las formas ycon las propiedades requeridas para ser utilizadas por el hombre.La Ingeniería Metalúrgica se divide en cuatro grandes áreas de acuerdo con la secuencialógica de los procesos: preparación de minerales, metalurgia de procesos, procesamientode metales y metalurgia de aplicación. Los dos primeros caen en lo que comúnmente sedenomina Metalurgia Extractiva que abarca hasta la obtención de los metales, y los dosúltimos en Metalurgia Adaptiva a la cual le competen las modificaciones y el control de laspropiedades de los metales y las aleaciones.La siguiente tabla ilustra la división de la Ingeniería Metalúrgica donde se incluyen lostópicos más comunes que conforman cada campo. Los nombres que aparecencorresponden a procesos unitarios y operaciones unitarias que son comunes para todoslos metales; los metales no se distinguen entre si más que por sus propiedades y por talrazón no aparecen términos clásicos como ferroso y no ferroso, estos términos puedenser utilizados industrialmente, pero la división de la ciencia o la Ingeniería en virtud detales 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 desus campos de especialización. Esta es una división natural basada en la realidadindustrial de todos los países del mundo y no una definición basada en los conocimientosbásicos. Este es el amplio objetivo que debe tenerse en cuenta en la formación de unIngeniero Metalúrgico, ya que es el tipo de labores que desarrolla en el desempeño de suprofesión.A continuación se verá con un poco más de detalle cada campo de la Ingeniería Metalúrgica.

METALURGICA EXTRACTIVA

1.PREPARACION DE MINERALES

a.Conminuación

b. Concentraccion

c. Lixiviacion

2.METALURGICA DE PROCESOS

a. Tostacion

b. Reduccion

c. Refinacion

d. Electroretinacion

e. Lingotea

METALURGICA ADAPTIVA

3.PROCESAMIENTO DE METALES

a. Conformado de metales

b.Fundicion

c.Soldadura

d. Tratamiento de Superficies

e. Metalurgia de polvos

f. Tratamientos térmicos

4.METALURGICA DE APLICACIÓN

a. Control de Calidad

b. Selección y Especificacion

c. Diseño de Aleaciones

2.4. PREPARACIÓN DE MINERALES

La Ingeniería Metalúrgica comienza con el mineral metálico y las primeras operacionesson las relacionadas con la preparación de minerales. La mayor parte de las actividadesinvolucradas en este campo se caracterizan por no modificar la estructura química de lasespecies mineralógicas, son "operaciones físicas" cuyo objetivo es separar una especie deotras. Solamente la lixiviación, dentro de este campo, involucra una reacción química y porlo tanto cae dentro del grupo de "procesos químicos". En general, cada elemento metálicose extrae por procedimientos diferentes, sin embargo, todos los procedimientos consistenen pasos que son comunes, es decir, están formados por un número relativamentepequeño de pasos que se combinan en grupos y secuencias definidas. Estos pasosindividuales de denominan operaciones unitarias o procesos unitarios, según el caso; lacombinación de ellos se conoce con el nombre de "flow sheet".La siguiente tabla muestra los principales pasos unitarios involucrados en la preparaciónde minerales.Existe una marcada semejanza entre las operaciones unitarias contenidas en eltratamiento de minerales metálicos contenidas en el tratamiento de minerales metálicos yaquellas relacionadas con los minerales no metálico, cerámicos y de combustibles sólidos,todos ellos relacionados íntimamente con la geología económica y la minería. Se ha dichoque este primer segmento de la Ingeniería Metalúrgica constituye también una parte de uncampo más amplio denominado Ingeniería Mineral.OPERACIONES Y PROCESOS UNITARIOS DE LA PREPARACIÓN DE MINERALES*Operaciones Unitarias ChancadoMoliendaCribadoClasificaciónSeparación por GravedadJiggingFlotaciónSeparación MagnéticaSeparación ElectrostáticaAgitaciónFiltradoManejo de MaterialesProcesos Unitarios

LixiviaciónPrecipitación

La fundamentación científica de las operaciones unitarias, involucradas en la preparaciónde minerales que configura el área denominada "Mineralurgia", está basada en tópicostales como: Cristaloquímica, termodinámica de superficies, Mineralogía, Mecánica defluidos y otros de aplicaciones no tan generales, pero si importantes para una operaciónespecífica, 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 laMetalurgia de procesos y serán consideradas después.La importancia de la preparación de minerales en la Ingeniería Metalúrgica es obvia, si sepiensa, que ella determina, según su estado de desarrollo, el que un depósito mineral seaexplotable o no. La gran parte de nuestro cobre se obtiene a partir de minerales que notenían ningún valor hace 50 o 60 años atrás. Esto se debe exclusivamente al desarrollode 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 sonconvenientes de tratar. Esta es una de las grandes tareas de la Ingeniería Metalúrgica.2.5. METALURGIA DE PROCESOSLa Metalurgia de procesos es la sucesión de pasos o procesos por medio de los cuales unmineral impuro se reduce a un metal, refinado, aleado y lingoteado en las formasapropiadas como metal primario dispuesto para un procesamiento posterior. Todos lospasos involucrados en este campo, sin excepción, se caracterizan por modificar laspropiedades químicas o los estados de agregación de las especies químicas que en ellasparticipan, son por lo tanto procesos químicos.La Metalurgia de procesos es muy afín con la Ingeniería Química con la cual tiene muchasideas y problemas en común; aunque la mayor parte de los procesos unitarios sondistintos a los de la Ingeniería Química los principios básicos en que se sostienen son muysemejantes.En la práctica es muy común encontrar a Ingenieros Químicos que se han especializadoen Metalurgia de Procesos y que cubren este campo ocupacional al igual que losIngenieros Metalúrgicos. Esta práctica es discutible ya que para ser un eficientemetalurgista de procesos, no sólo es necesario contar con un amplio respaldo en losaspectos básicos, lo cual si es común, sino que también debe tenerse una granfamiliaridad con los sistemas estudiados. Los metales fundidos, las escorias, la electrólisisde sales fundidas, la solidificación de lingotes, etc., no son conceptos familiares para losIngenieros Químicos, quienes se desenvuelven siempre con sistemas a temperaturasmucho menores. Sin embargo, hay que destacar que las diferencias entre ambos camposdeben buscarse en los tipos de sistemas estudiados y no en los conocimientos básicosutilizados.Antiguamente era costumbre enseñar la Metalurgia de procesos en términos del metalestudiado, de ahí aparecieron términos tales como, metalurgia del cobre, metalurgiaferrosa, metalurgia del níquel, etc. actualmente tal práctica es anacrónica, en cambio elestudio 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 mineralessufren 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 PROCESOSSecado MetalotermiaCalcinación Carbotermia

Tostación Destilación y SublimaciónSinterización Fusión de RetortasFusión simple Reducción gaseosaFusión en alto horno Refinación a FuegoConversión ElectrorefinaciónReducción líquida ElectrorecuperaciónCombustión Electrólisis de sales fundidasLingoteado Procesos Hidrometalúrgicos

Es conveniente aclarar aquí la significación de ciertos términos muy utilizados en ellenguaje de la Ingeniería Metalúrgica como son los de: Piro, Hidro y Electrometalurgia.Este término son generalizados de un conjunto de procesos que no tienen unacaracterística particular, pero que no implican ningún fundamento básico; así laPirometalurgia es el conjunto de procesos unitarios de la Metalurgia de procesos queimplican altas temperaturas, pero que puede ser en sistemas gas-sólido, líquido-líquido,etc. La Hidrometalurgia implica soluciones acuosas y la Electrometalurgia el uso delprincipio de la electrólisis sea en soluciones acuosas, soluciones metálicas o iónicas. Suuso, 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 reaccionesquímicas 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 salesfundidas, soluciones iónicas, soluciones metálicas y en casos menos frecuentes ensistemas acuosos y gaseosos. Es decir, que en general, la Metalurgia de procesos tratacon sistemas heterogéneos y por lo tanto, se apoya en una gran medida en la ciencia delos Fenómenos de Transporte.La aplicación de estos principios a la Ingeniería Metalúrgica ha permitido mejorarenormemente los procesos introduciendo nuevos métodos tecnológicos, desarrollandonuevos sistemas y mejorando sustancialmente la calidad de los productos con máseficiencia y mayor economía de los procesos.

2.6. PROCESAMIENTO DE METALESBajo el nombre de procesamiento de metales están contenidos los procedimientos pormedios de los cuales los metales se transforman en objetos útiles. En general, en estosprocesos, aunque aquí esta palabra carece del sentido indicado antes, se modifican laspropiedades 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 laspropiedades mecánicas de los materiales, lo cual se denomina a veces como MetalurgiaMecánica, ha sido hasta ahora un dominio de la Ingeniería Mecánica; debido al estado dedesarrollo de esta área, los problemas relacionados con las fuerzas aplicadas y lasrespuestas del sistema como medio continuo. La Ingeniería Metalúrgica se preocupafundamentalmente del comportamiento de los metales bajo diversas solicitaciones desdeel punto de vista de la microestructura, solo recientemente el conformado de metales haalcanzado 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 propiedadesdeseadas, depende del metal en cuestión y del objetivo perseguido, sin embargo existe uncierto número de pasos únicos a los cuales un metal puede ser sometido. Los másimportantes muestran en la siguiente tabla.

PASOS UNITARIOS EN EL PROCESAMIENTO DE METALESLaminación Temple y RevenidoForja RecocidoTrefilación Normalizado

Extrusión Carburización o CementaciónFusión y Colada NitruraciónSoldadura CompactaciónGalvanizado SinterizaciónZincado Metalurgia de PolvosLos fundamentos científicos en que se basan los procesamientos de los metales sonmuchos 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 MetalurgiaAdaptiva.Durante mucho tiempo, la gran mayoría de estos procesos fueron relegados por losIngenieros Metalúrgicos a un control puramente empírico. Sólo en este último tiempo y enforma 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, "nosotroshemos visto en años recientes doblar la resistencia de las fundiciones grises persuadiendoal grafito a formar nódulos en vez de escamas o láminas".

2.7. METALURGIA DE APLICACIONEl saber elegir el metal justo y colocarlo en el sitio justo con las mejores condiciones decosto y de servicios es la última rama de la Ingeniería Metalúrgica. La selección yespecificación de los metales y de su tratamiento (térmico, superficial, etc.) es generalmente una tarea de grandes proporciones que obliga al Ingeniero a utilizar almáximo de su ingenio y su experiencia. Para realizar esto debe tener en cuenta, lacomplejidad de la estructura, los diversos tipos de metales, la calidad adecuada, losaspectos económicos, etc.En este campo, las ciencias mencionadas anteriormente, encuentran mejor su aplicaciónpráctica, y además aquí la Metalurgia se sirve de toda la Ingeniería; aquí el IngenieroMetalúrgico esta constantemente trabajando con otros ingenieros, por lo tanto debeconocer 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 nuevaaleación o nuevo material debe ser diseñado para cumplir el objetivo, un programa deinvestigación y desarrollo será requerido. A medida que se obtengan aleaciones quecumplan con las necesidades, los requisitos aumentan, aún mejores aleaciones sonrequeridas y el proceso debe continuar. Estamos constantemente en medio de talesdesarrollos. Rápido progreso se hace en este momento en el desarrollo de metales útilesa altas temperaturas. El diseño de una aleación nueva para un propósito dado puede seruna tarea muy simple o extremadamente difícil, dependiendo de la disponibilidad de losdatos científicos básicos.Como muchos requisitos no han podido satisfacerse con aleaciones metálicas se habuscado y encontrado soluciones con materiales no metálicos como son las cerámicas ylos polímeros (comúnmente conocidos como plástico) o sus combinaciones – dando lugara los materiales compuestos o compósitos, que son el interés de una nueva disciplina, laCiencia de los Materiales. La Ciencia de los Materiales se nutre de todo el conocimientometalúrgico básico para aplicarlo a todos los materiales y al enriquecerse con la química yfísica del estado sólido dando nacimiento así a la Ingeniería de Materiales, la natural expansión de la Metalurgia Física.