Embedded Files
En els objectes i instal·lacions que ens envolten, podem identificar fàcilment materials metàl·lics. Això és per què els metalls tenen tots unes característiques i propietats comuns que els fan fàcilment identificables i diferenciables de la resta de materials.
Els descobriment dels metalls està molt lligat a la història de la humanitat. L'edat dels metalls és una de les dues grans etapes tecnològiques en les que tradicionalment s'ha subdividit la Prehistòria. Ocupa un període molt ampli en la història caracteritzat pel desenvolupament de les societats humanes de la metal·lúrgia. El període comença, aproximadament, abans del V Mil·lenni aC i acaba al I Mil·lenni aC, Dins de l'edat dels metalls, s'hi pot incloure l'edat del coure, l'edat del bronze i l'edat del ferro. El primer metall que es va fer servir va ser el coure, i després el bronze, que és un aliatge de coure i estany. Des d'un principi, només es van fabricar, amb els metalls, objectes d'adornament. Més tard, aquests metalls es van utilitzar per a la construcció d'instruments i eines, i, finalment, d'armes. Quan ja es dominava la fosa del coure i del bronze, es va començar a desenvolupar la del ferro. Els primers pobles que van fabricar armes de ferro també eren de l'Orient Mitjà, i van aconseguir dominar fàcilment els pobles veïns. El descobriment de les tècniques per fondre i modelar metalls va permetre l'aparició de l'orfebreria. Es començaren a fabricar magnífiques joies i estatuetes amb metalls i esmalts de colors brillants. També es van decorar els escuts i les empunyadures de les espases.
1. Obtenció dels metalls
Els metalls s’obtenen, generalment, a partir de la transformació d’alguns minerals. Aquests minerals són a les roques, que s’extreuen directament de la natura. Alguns metalls, en canvi, poden trobar-se en estat pur a la natura: l’or, la plata, el platí, el coure… Són els anomenats metalls natius.
Des del moment en què l’ésser humà va descobrir els metalls ja va començar a treballar-los. Les tècniques per extreure‘ls i treballar-los s’han anat desenvolupant, des del neolític fins als nostres dies, com a conseqüència de la seva abundància i de la necessitat de trobar nous materials amb què construir objectes.
Els metalls es concentren en llocs concrets, que es coneixen amb el nom de jaciments. Als jaciments, les roques es troben en forma de filons, estrats o bosses. L’explotació d’aquests jaciments es porta a terme mitjançant les mines, que poden ser subterrànies o a cel obert. Abans de començar l’explotació d’un jaciment, es fa un estudi sobre les seves dimensions, la quantitat de metall que conté i la seva qualitat, per determinar-ne la rendibilitat. El procés d’extracció, obtenció i manipulació dels metalls s’anomena metal·lúrgia. En els jaciments trobem roques, que estan formades per minerals de diversos tipus. El mineral que conté el metall que es vol extreure és la mena, i la resta de minerals es diu ganga. Les roques passen primer per un procés de trituració, que ho converteix tot en fragments molt petits. Els fragments es separen el seu tamany amb tècniques de garbellament (filtració). Aleshores, la barreja mineral triturada passa a un procés en el qual separem la mena i la ganga. Aquest procés pot ser diferent depenent del metall. Alguns metalls es separen per flotació en un dipòsit d’aigua o mitjançant un cicló d'aire o un hidrocicló, o amb electroimants, per separar el ferro.
El procés de flotació consisteix en afegir uns productes químics al mineral en forma de pols i barrejat amb aigua. Aquest producte químic torna el mineral (mena) hidrofòbic, formant una escuma que sura a l'aigua, i per tant, fàcil de separar.
Un cop separat el mineral, es porta al forn, on se separa el metall de la resta de components. D’aquesta manera, s’aconsegueix un metall pur.
La barreja de dos o més metalls és l’aliatge. Per obtenir-los, s’afegeixen al metall fos la resta de metalls amb els quals es vol barrejar. Aquest procés permet l’obtenció d’un nou metall amb característiques i propietats diferents a les que tenen els metalls que el formen.
2. Propietats generals dels metalls
Són bons conductors de la calor i l'electricitat.
Són resistents perquè suporten molt bé les forces de compressió, tracció o flexió.
Són tenaços perquè aguanten els cops sense trencar-se.
Són dúctils i mal·leables perquè tenen una gran plasticitat.
Són sòlids a temperatura ambient; tots excepte el mercuri.
Són pesats. La densitat és molt elevada comparada amb altres materials. Per exemple, el plom.
Alguns són magnètics perquè són atrets pels imants, com és el cas del ferro.
La temperatura de fusió de la majoria dels metalls és molt alta..
3. Classificació dels metalls
3. Classificació dels metalls
D'entre tots els metalls, en sobresurten el ferro i els seus aliatges perquè suposen el 90% de la producció mundial de metalls. Això és conseqüència dels avantatges que té el ferro per a la indústria: és abundant, és barat i millora les propietats en formar aliatges. Per aquest motiu classificarem els metalls en:
Metalls fèrrics: corresponen al grup d'aliatges el component principal dels quals és el ferro. Tenim ferro, acer i fosa.
Metalls no fèrrics: són els metalls purs i els aliatges de metalls que no tenen ferro en la composició. Els principals són el coure, l'alumini, l'estany el níquel i el zinc, també aliatges com el llautó i el bronze.
4. Els metalls fèrrics
Són aquells que tenen com a element base el ferro, tot i que poden estar barrejats amb altres elements. Diem que són metalls fèrrics, el ferro, els acers i les foses.
4.1. El ferro
El ferro és un metall molt abundant a la naturalesa ,tot i això té poques aplicacions com a metall pur, però és la base per la creació d'acer, el metall més utilitzat a la indústria. El ferro s’extreu de menes com l’hematites, la magnetita, la siderita o la limonita.
Característiques: Metall de color gris, brillant, d’alta densitat i punt de fusió molt elevat, que s’oxida fàcilment.
Gairebé no s’utilitza perquè és fràgil i poc dur en comparació amb altres metalls fèrrics, només es fa servir com a nucli d'electroimants per les seves propietats magnètiques.
4.2. Acer
És un aliatge compost bàsicament per ferro i carboni, amb un percentatge de carboni inferior a l’1,7%.
Característiques:Metall amb bones propietats mecàniques. És tenaç, dúctil, mal·leable, de fàcil maquinabilitat i soldabilitat. Permet obtenir bons aliatges, per exemple, afegint un 12% de crom fem acer inoxidable..
Ús: En tota mena d’indústries. Fabricació d'automòbils, d'eines, etc.
4.3. Fosa o ferro colat
És un aliatge de ferro i carboni amb un percentatge de carboni d’entre l’1,7 i el 4%.
Característiques: Metall molt dur però fràgil, és rígid i poc tenaç. Fon amb més facilitat que els acers, i s'emmotlla millor que aquests.
Ús: Fabricació de bancades de màquines, blocs de motors, fanals, tapes de claveguera, mobles de terrassa, fonts…
5. La siderúrgia
Anomenem siderúrgia al procés d'obtenció del ferro i els seus aliatges, l'acer i la fosa (o ferro colat).
5.1. Primer pas: L'alt forn
L’alt forn esta format per una estructura d’acer recoberta interiorment per material refractari. Per la part superior s’introdueixen les matèries primeres i s’extreuen els gasos. Per la part inferior s’introdueix aire calent a pressió que fa possible la combustió del carboni i es recullen ferro colat i les escòries. Les matèries primeres que intervenen en l’alt forn són:
Mineral de ferro: aporta el ferro oxidat que un cop reduït l’obtindrem en forma de ferro colat.
Carbó de coc: Actua com a combustible per obtenir altes temperatures i aportar el carboni necessari per la reducció del ferro. És un carbó sintètic amb un alt poder calorífic.
Pedra calcaria: es combina amb el silici del mineral i forma el compost CaSiO3 que es el principal compost de la escòria.
El procés d’obtenció de les primeres matèries per la boca superior del forn periòdicament es van traient el ferro i l’escòria. Dins del forn es distingeixen quatre zones; zona de deshidratació (aprox. 400ºC) el contingut d’humitat de les matèries primeres s’elimina en forma de vapor d’aigua. Zona de reducció (aprox. 700ºC) el monòxid de carboni en forma de gas es combina amb l’oxigen del mineral per formar diòxid de carboni i ferro reduït. Zona de carburació (aprox. 1200ºC) el carboni es combina amb el ferro formant l’aliatge. Zona de fusió (aprox. 1800ºC) es produeix la fusió del ferro que s’escola en forma liquida al fons del forn. El ferro colat obtingut a l’alt forn s'anomena ferro de primera fusió, també anomenat arrabi, és un aliatge de ferro i carboni amb un contingut aproximat de un 4,5% de carboni, un 2% de silici i quantitats menors de fòsfor, sofre i oxigen. Aquest producte s’ha de sotmetre a una segona transformació , per esdevenir acer o fosa.
5.2. Fabricació de fosa o ferro colat.
Amb el ferro de primera fusió es formen els lingots, que posteriorment es fonen després en uns altres forns anomenats cubilots, i d’aquesta manera s’obté la fosa o ferro colat. Amb aquest procés podem reduir el contingut en carboni i baixar-lo del 4%, per evitar que sigui tan fràgil. Aquest material ja és apte per obtenir peces foses, que en alguns casos també seran mecanitzades.
5.3. Obtenció d'acer
Per obtenir acer cal descarburar el ferro colat de l’alt forn. També conté moltes impureses que el fan més fràgil i mal·leable (més fràgil = fòsfor, menys mal·leabilitat= sofre) per fer aquest procés de descarburació es poden utilitzar dues instal·lacions (o una o altra).
Primer mètode el forn convertidor: s’introdueix el ferro colat, ferralla i calç (òxid de calci), i s’injecta oxigen a pressió (això disminueix el contingut de carboni i impureses al ferro colat). El ferro colat es combina amb l’oxigen i desprèn calor. El silici es combina amb l’oxigen i ens dona l’escòria. El fòsfor combinat amb l’oxigen i després amb la calç ens dona també origen a l’escòria. Amb el calor que es produeix els materials es mantenen líquids durant tot el procés. Durant el procés podem regular els materials per obtenir l’acer que es vol (afegint més o menys ferralla i/o calç). L’escòria s’utilitza per fertilitzar els camps de conreu.
Segon mètode el forn elèctric: Dins del forn s’introdueix el ferro colat, la ferralla oxidada (que aporta l’oxigen i la calç (per formar l’escòria). Com que el ferro colat i la ferralla són conductors, reben descàrregues elèctriques en forma d’arcs voltaics des dels elèctrodes, amb la qual cosa n’augmenta la temperatura. Es poden afegir, durant el procés, les quantitats necessàries d’elements d’aliatge per obtenir els acers aliats.
El forn elèctric permet un control molt precís de la temperatura i la composició de l’acer. És molt indicat per obtenir acers especials, ja que pot fondre elements d’aliatge com ara el molibdè i el tungstè, que tenen unes temperatures de fusió molt elevades.
En aquesta adreça també trobaràs explicat el procés d'obtenció d'acer i les seves aplicacions:
5.4. Tractaments tèrmics per millorar les propietats dels acers
A fi de modificar-ne les propietats mecàniques , els acers se sotmeten a tractaments tèrmics, habitualment el trempat i la recuita, un seguit de l'altre.
El tremp: Consisteix a refredar bruscament l'acer quan ha assolit una temperatura molt elevada. Aquest tractament fa augmentar la duresa i la resistència de l'acer, però en disminueix la tenacitat.
La recuita: Consisteix a refredar molt lentament el metall calent. Aquest tractament, tot i que fa disminuir part de la duresa i la resistència de l'acer, n'augmenta la plasticitat i permet que se li pugui donar forma més fàcilment.
MÉS INFORMACIÓ:
Enllaç: Les vides del ferro Enllaç: El ciclo del acero Enllaç: La farga catalana
6. Els metalls no fèrrics
Els principals metalls no fèrrics són el coure, l'alumini, l'estany, el níquel i el zinc.
6.1. El coure i els seus aliatges
El coure va ser el primer metall utilitzat en tecnologia. En ocasions es pot trobar en estat pur, tot i que la seva principal font d’extracció és mineral. Les seves menes són la pirita i la calcopirita.Característiques: És un metall de color vermellós i brillantor intensa, densitat elevada, tou, bon conductor de l’electricitat i la calor, dúctil i mal·leable. És resistent a la corrosió i només s’oxida superficialment.Ús: Cables elèctrics, fils telefònics, canonades, làmines, recipients i en determinats aliatges.
Quant als aliatges, destaquen el bronze i el llautó.
Bronze: És un aliatge compost bàsicament de coure i estany. Algunes vegades pot contenir també zinc, plom o alumini, i aleshores s’anomena bronze especial. Té bona resistència al desgast i a la corrosió, i s’utilitza per a campanes, estàtues, vàlvules…
Llautó: És un aliatge compost bàsicament de coure i zinc. Si a més conté plom o magnesi, s’anomena llautó especial. Té bona resistència a la corrosió, és bon conductor elèctric, dúctil i mal·leable. S’utilitza en aixeteria, engranatges, peces de serralleria (panys, poms de portes, etc), instruments de música de vent, …
6.2. Alumini
És el metall més abundant a l’escorça terrestre, però no el més utilitzat en la indústria perquè la seva extracció és costosa. La seva mena és la bauxita, que es transforma químicament en alúmina. De l’alúmina s’obté l’alumini per electròlisi, però aquest procés té un cost energètic molt elevat.
Característiques de l'alumini pur: És un metall de color blanc platejat, bon conductor de l’electricitat i la calor, lleuger, dúctil i mal·leable, que s’oxida fàcilment.
Ús: Indústria alimentària (paper d’alumini, llaunes de begudes , safates, etc).
Aliatges lleugers: Barregem l'alumini amb magnesi i coure, per incrementar les seves propietats mecàniques, apropant-se a les de l'acer, però molt més lleugers que aquests.
Ús: Indústria del transport (vehicles, vagons, aeronàutica), llandes per a cotxes, motos, bicicletes i dins la indústria de la construcció (marcs de portes, finestres, baranes, escales) i a la indústria alimentària (olles, cassoles, etc).
6.3. Altres metalls no fèrrics
Estany
És un dels metalls més coneguts, i es va començar a utilitzar en el mateix moment que el plom. La seva mena és la cassiterita.
Característiques: És un metall de color blanc platejat, tot i que per sota dels 13 °C es transforma en una pols amorfa grisa (estany gris). Quan s’escalfa és dúctil, mal·leable i resisteix la corrosió.
Ús: Indústria, làmines de condensadors, recobriment interior de llaunes d’acer per a aliments i begudes, aliatge de bronze i soldadura.
Zinc
És un metall de gran consum mundial. La seva mena és l’esfalerita.
Característiques:És un metall de color blanc blavós, brillant, tou i de densitat elevada. En fred és poc resistent, però quan s’escalfa (entre 100 i 150 °C) es fa més resistent i mal·leable.
Ús:Galvanitzat del ferro, de l’acer i d’altres metalls, bateries elèctriques, baixants d’aigua, canalons, dipòsits i diferents aliatges.
Plom
Es coneix des d’èpoques primitives, tot i que es va descobrir després que el coure. La seva mena és la galena.
És un metall molt tòxic. Per això a partir de les últimes dècades del segle xx se’n va prohibir la utilització en canonades d’aigua potable, pintures i gasolina.
Característiques: És un metall de color gris, brillant si la superfície està treballada i tou. Quan s’escalfa resisteix molt la corrosió, però poc la tracció; no és dúctil, però sí que és mal·leable.
Ús: Insonorització, recobriments i eines contra les radiacions, fabricació de bateries i acumuladors, fabricació de vidre, com a additiu.
7. Operacions amb metalls
7.1. Tractaments superficials
Com ja hem vist, tant l'acer com molts altres metalls s'oxiden amb l'aigua i d'altres elements. Per protegir-los d'aquesta oxidació els recobrim amb altres metalls electrolíticament.
La galvanització és l'aplicació d'una capa de metall sobre un altre, electrolíticament. L'aplicació més corrent és la formació d'una capa prima de zinc sobre peces d'acer amb l'objectiu de protegir l'acer de la corrosió causada per l'aigua, l'oxigen i altres elements. La pel·lícula que recobreix el metall es manté enganxada gràcies a la zona de transició formada pel material que es vol recobrir i el zinc. El resultat de la galvanització és l'acer galvanitzat.
El Niquelat és un recobriment metàl·lic de níquel, realitzat per mitjà d'un bany electrolític, que es dóna sobre peces metàl.liques, ja siguin d'acer, llautó, coure o zamak, i que serveix per augmentar la seva resistència a l'oxidació, la corrosió o el desgast, i per millorar el seu aspecte en elements ornamentals.
7.2. Operacions de mecanització dels metalls
Per obtenir la majoria de productes metàl·lics industrials es fan diferents operacions, com ara:
Estampació i embotició: a partir d'una planxa metàl·lica superposada en una matriu que és deformada per l'acció d'un punxó que aplica gran pressió. Amb aquest sistema es fabriquen la carrosseria dels automòbils i les llaunes de begudes.
Veure vídeo: L'estampació i l'embotició
Encunyació: consisteix en el tall amb precisió d'una xapa metàl·lica amb un punxó de vores tallants mogut per una premsa. Amb aquest sistema es fabriquen volanderes i peces perforades.
Soldadura punt a punt: s'uneixen planxes metàl·liques fent un cordó de punts soldats al llarg de la zona d'unió. En la indústria de vehicles hi ha braços robot que fan aquesta operació amb total precisió.
Trepant: per fer forats en perfils metàl·lics s'utilitza el trepant vertical. El perfil se subjecta amb guies i topalls perquè no es mogui durant el procés i el trepant es mou verticalment accionant-lo amb una palanca.
Trossejament: consisteix a tallar perfils metàl·lics. Es fa servir una serra de disc circular que es controla amb una palanca, anomenada trossejadora.
Fresatge i tornejament: a partir d'una peça massissa i amb un utillatge tallant s'elimina l'excés de material arrencant-lo de forma que s'esculpeix la peça definitiva. En la indústria, les màquines de tornejament i fresatge estan programades perquè arrenquin la ferritja de metall de forma automàtica. Amb aquest sistema es fabriquen eixos, engranatges i, en general, qualsevol peça complicada.
MÉS INFORMACIÓ: Els metalls
Page updated
Report abuse