Metal·lúrgia i siderúrgia/Aliatge

Un aliatge és una mescla homogènia de dos o més elements, dels quals com a mínim un ha de ser un metall. El compost resultant presenta unes propietats molt diferents de les dels elements separats en si. La tècnica de l'aliatge s'utilitza per tal de millorar algunes propietats dels metalls purs, com ara la resistència mecànica, la duresa o la resistència a la corrosió, així l'acer és molt més dur que el ferro, que n'és l'origen i al qual s'ha afegit carboni. D'altra banda, algunes propietats físiques com la densitat, la reactivitat, el mòdul elàstic o la conductivitat tèrmica i elèctrica de l'aliatge no es diferencien gaire dels elements primaris.

Els aliatges es formen generlament per la fusió dels seus components i posterior mescla conjunta en solidificar-se. Però tret dels metalls, molts aliatges no tenen un punt de fusió determinat sinó que presenten un rang de mescla entre les fases sòlida i líquida. La temperatura a la que comença la mescla s'anomena solidus i la temperatura a la que finalitza rep el nom de liquidus. Tanmateix hi ha molts aliatges per al quals hi ha una certa proporció dels seus elements constitutius que presenta un punt de fusió concret (rarament dos), aquest tipus d'aliatges reben el nom d'eutèctics.

També hi ha un mètode de producció d'aliatges anomenat aliatge mecànic que es basa en la mòlta continuada i conjunta dels components. El material és sotmès a una sèrie de moviments i friccions que afavoreixen la formació de dissolucions sòlides degut, entre altres coses, a la reducció de la seva mida cristal·lina.

Solució sòlida

Estructura del ferro BCC(cúbica centrada en el cos)

És un tipus de solució metàl·lica que és formada per una matriu d'àtoms (solvent) que inclou, en posició de substitució o intersticial, altres àtoms d'un segon element (solut). La quantitat màxima de solut que pot ser present al solvent en condicions d'equilibri és el que s'anomena solubilitat.

Per tal que un element metàl·lic tingui una elevada solubilitat a la xarxa cristal·ina d'un altre metall és necessària la concurrència d'algunes condicions (les regles de Hume-Rothery):

1. El radi atòmic del solut no pot diferir més del 15% del que tingui el solvent.

2. L'estructura cristal·lina dels dos elements ha de ser similar, millor si són idèntiques.

3. L'electronegativitat ha de ser la mateixa per als dos elements o el més similar possible. Si la diferència és massa gran els metalls tendeixen a formar compostos intermetàl·lics i no solucions sòlides.

4. La valència del solut i solvent han de ser el més similars possible. La màxima solubilitat es dóna quan ambdós tenen la mateixa valència. Els metalls amb una valència petita tendeixen a dissoldre els metalls amb una valència superior.

Exemples d'aliatges

Aliatges de coure

Monedes de Bronze

• Bronze : coure + estany
• Llautó : coure + zinc
• Billó : coure + plata ; utilitzat per encunyar monedes en èpoques d'escassetat de metalls nobles o de devaluació monetària.

Aliatges de ferro

Vàlvula d'acer inoxidable

• Fosa : ferro + carboni (des del 2,1% fins al 6.7% de carboni)
• Acer : ferro + carboni (menys del 2,1% de carboni)
• Acer inoxidable : ferro + níquel + crom, i de vegades molibdè o vanadi

Aliatges del Níquel

• Monel Els aliatges de coure i níquel com el Monel són utilitzats en ambients molt corrosius i en aplicacions on calen materials no magnètics.

• Inconel Super aliatge basat en níquel, que s'utilitza en aplicacions on hi ha altes temperatures, com els turbocompressors o els bescanviadors de calor.

=== Altres aliatges pennnnnnn

Composició de l'amalgama

Constant

El constant és un aliatge, generalment format per un 55% de coure i un 45% de níquel (Cu55Ni45). Es caracteritza per tenir una resistència elèctrica constant en un ampli rang de temperatures, és un dels materials més utilitzats per a la fabricació de monedes.

Hi ha altres aliatges conegudes per tenir també un molt petit coeficient de temperatura, per exemple el manganin (Cu86Mn12Ni2). Les seues característiques físiques són:

Resistivitat	$4.9*10^{-7}\left(\Omega \cdot \mathrm {m} \right)$
Coeficient de temperatura a 20°C	0,00001
Densitat	$8,9\left({\frac {g}{cm^{3}}}\right)$
Calor específic	$0,41\left({\frac {kJ}{kg\cdot K}}\right)$
Coeficient de dilatació lineal	0,000015 / K
Punt de fusió	1225-1300°C

Duralumini

Els duraluminis són un conjunt d'aliatges d'alumini, coure (0,45%-1,5%) i magnesi (0,45%-1,5%) així com manganès (0,6%-0,8%) i silici (0,5%-0,8%) com elements secundaris. Formen part de la família dels aliatges d'alumini-coure (2000).

Presenta'n una elevada resistència mecànica a temperatura ambient, però, la seva resistència a la corrosió, soldabilitat i aptitud per l'anoditzat són baixes. S'utilitzen a la indústria aeronàutica i la de l'automòbil

Nicrom

El nicrom és un metall obtingut com una aliatge de níquel, crom i ferro. Amb aquest material es poden fer cables que dissipen una gran quantitat de calor, procés que és aprofitat, per exemple, per les torradores de pa (per assecar l'aigua de les llesques de pa) i per a la pasteurització. Es fon a 500 º C, depenent de la concentració relativa dels seus components.

Metall de Wood

El metall de Wood, també conegut com aliatge Lipowitz, és un aliatge fusible amb un punt de fusió aproximat de 70 °C, corresponent a una mescla eutèctica de 50% de bismut, 26,7% de plom, 13,3% d'estany, i 10% de cadmi. El seu nom prové del metal·lúrgic nord-americà B. Wood.

És emprat en segellat de tancs de gas, reparacions antiguitats, aliatge fusible, modelatge i soldadures. És tòxic pel seu contingut de plom i cadmi al moment de fondre, per la qual cosa ha d'evitar inhalar els vapors despresos. Hi ha diverses aliatges no tòxiques utilitzades com a substitut.

Electre

L' Electre és un aliatge nadiu d' or i plata, en el qual la plata pot arribar a proporcions màximes del 40%. L'electre de les muntanyes dels Urals a més porta un 20% de coure. El color de l'electre és groc pàl·lid o blanc-grogós i el seu nom, és derivat del Grec, mencionat en l'obra L'Odissea. El mateix nom va ser usat per a denominar l'ambre, probablement pel color groc pàl·lid d'algunes varietats d'ambre.

Nitinol

El Nitinol és un metall format per l'aliatge de níquel i titani, i presenta unes propietats estranyes respecte als altres aliatges, ja que és capaç de recuperar de manera "intel·ligent" la forma original després d'haver estat deformat, sempre que estigui a temperatura corporal.

A partir de l'any 1962, aquest material va començar a ser utilitzat en aplicacions sanitàries, ja que la recuperació de la forma original és molt pràctica per representar algun ós o múscul, o fins i tot en petites dosis, per desobstruir artèries.

NaK

El NaK és un aliatge de sodi i potassi, que és líquid a temperatures ambientals. És un material comercialment disponible en diversos graus. Aliatges d'entre aproximadament un 40% i un 90% en potassi per pes són líquids a temperatura ambient. El NaK eutèctic està format per un 78% de potassi i un 22% de sodi. És líquid entre -12.6°C i 785°C.

Un ús notable és com a refrigerant dins reactors ràpids experimentals. A diferència dels reactors comercials, aquests s'aturen freqüentment i es buiden. La utilització de plom o sodi com a refrigerant, exigiria durant aquestes aturades la calefacció contínua que mantingués el refrigerant com a líquid, i no se solidifiqués dins dels conductes. L'ús de NaK permet solucionar aquest problema. L'aliatge NaK s'utilitza en moltes altres aplicacions de transferència de calor per raons similars.

Magnam

El magnam és un aliatge de Magnesi (Mg) que se li afegeix Manganès (Mn), Alumini (A) i Zinc (Zn). Va ser la primera aliatge d'importància obtinguda per l'home, definint el període prehistòric conegut com Edat del Bronze. Les seves aplicacions inclouen parts mecàniques i la fabricació d'instruments quirúrgics. És un metall molt difícil d'aconseguir ja que només es fa servir per a experiments i construcció de només alguns instruments.

Magal

El Magal és un aliatge de magnesi, al qual s'afegeix alumini (8 o 9%) zinc (1%) i manganès (0'2%).

Aquest aliatge és útil per a la fabricació de carrosseries de cotxes, en aeronàutica, i en l'elaboració d'instruments quirúrgics. És un aliatge molt resistent i lleugera, però té l'inconvenient de no ser soldable.

Or nòrdic

Està constituït per coure, alumini, zinc i estany segons les proporcions següents: Cu89Al5Zn5Sn1. L' or nòrdic és un aliatge amb el que es fabriquen les monedes de 10, 20 i 50 cèntims d'euro. Malgrat el seu nom no conté gens d'or, tot i que té un aspecte força similar. Aquest aliatge se'l coneix com a or nòrdic perquè es va fer servir per primera vegada a Suècia per a fabricar les monedes de 10 corones.

Aliatge de plom i estany

Utilitzat per a la soldadura de components en electrònica.

Amalgama

L' amalgama és una aleació del mercuri amb altres metalls, com plata, estany, coure, zinc o or. És un material de restauració utilitzat en odontologia. Té un color platejat, el qual és poc estètic per als pacients, ja que no té propietats òptiques compatibles amb l'estructura dental. L'amalgama té el major desenvolupament pel que fa a seguretat i relació cost-benefici, a diferència dels nous materials restauradors com les resines compostes, les quals són més costoses

Alpaca o plata alemanya

Mandolina amb acabats d'alpaca

L'alpaca, plata alemanya o metall blanc és un aliatge ternària composta per zinc (8 a 45 per cent), coure (45 a 70 per cent) i níquel (8 a 20 per cent), amb un color i brillantor semblant al de la plata. Els aliatges que contenen més d'un 60% de coure són monofàsiques i es caracteritzen per la seva ductilitat i per la facilitat per ser treballades a temperatura ambient, l'addició de níquel confereix una bona resistència als mitjans corrosius.

Entre les aplicacions es troben la fabricació de vaixelles de taula, bombetes (sorbet) per mat, cremalleres, objectes de bijuteria, claus dels instruments musicals (ex oboè), dials dels aparells de ràdio, monedes, instruments quirúrgics i dentals i reòstats .

Metall de Babbitt

El metall Babbit està format per estany, antimoni i coure. És un aliatge que s'utilitza per disminuir la fricció dels coixinets.

Peltre

El peltre és un aliatge fet d'estany, coure, antimoni i plom. És mal·leable –tant que arriba a deformar-se només d'estrenyer-lo fortament amb la mà–, tou i de color blanc, amb alguna similitud amb la plata; és poc reactiu i es fon a 320°C, característiques que el fan molt adient per a la fabricació d'ornaments. Durador i dúctil, amb el temps agafa una pàtina interessant i se'l pot forjar de manera que adopti qualsevol forma. Aquesta substància fou utilitzada també per Niépce per obtenir la primera fotografia.

Tradicionalment ha estat compost d'un 85% a un 99% d'estany, amb un 1-4% de coure per atorgar-li duresa; si se li afegeix un petit percentatge de plom agafa un color blavós. Té un aspecte lluent, brunyit i argentat, i igual que la plata tendeix a ennegrir-se a causa de l'oxidació si no rep tractament químic. Els tipus de peltre són:

• Fi, usat per fer coberts. Compost d'un 96-99% d'estany i un 1-4% de coure.
• Trifle, també usat per fer coberts i vaixella rústica. Compost d'un 92% d'estany, un 1-4% de coure i més del 4% de plom.
• Lay (o ley), normalment no s'utilitza per fer estris que estiguin en contacte amb el menjar i la beguda perquè conté més del 15% de plom i petites quantitats d'antimoni.

El peltre ja el feien servir els romans en la construcció dels aqüeductes; de fet, la peça de peltre més antiga que s'ha trobat prové d'una tomba egípcia del 1450 aC. A l'edat mitjana s'utilitzava per fabricar ornaments i, a les esglésies més pobres, era usat com a substitut de la plata. Precisament és a l'època medieval quan creix la popularitat del peltre, amb què es fan les vaixelles de les cases benestants en substitució de les tradicionals de fusta, procés anàleg al que va succeir més endavant en països com els Estats Units durant els segles XVIII i XIX a les cases de classe mitjana i alta.

Zamak

Lingots de Zamak

El Zamak és un aliatge de zinc amb alumini, magnesi i coure. Té duresa, resistència a la tracció, la seua densitat és 6,6 g/cm³ i la temperatura de fusió de 386 ° C. Aquest material pot injectar (per càmera freda o calenta i per centrifugació), un altre procés possible és la fosa en terra de coquilla. És un material barat, té bona resistència mecànica i deformabilitat plàstica, i bona colabilidad. Es pot cromar, pintar i mecanitzar.

El seu ús esta molt estès és del sector del ferratge, degut en gran part a l'encariment de materials més habituals, com el llautó. Igualment el sector de l'automoció també és un clar consumidor de Zamak en forma de peces de seguretat, carcasses, bieles, etc. Pot ser utilitzat per a peces estructurals.

L'aliatge més comunament usada de zamak és zamak-5, però zamak-2, zamak-3 i zamak-8 també es fabriquen i el seu ús és bastant extens. La norma espanyola que regula la composició química de Zamak és la UNE-EN 1774. La norma que especifica les propietats de peces foses en Zamak és la UNE-EN 12844.

La aliatge Zamak va ser creada per New Jersey Zinc Company en la dècada de 1920, el seu nom és un acrònim alemany dels materials que componen l'aliatge: Zink (Zinc), Aluminium (Alumini), Magnesium (Magnesi) i Kupfer (coure).

Darrerament s'ha posat molt de moda com a part d'objectes de bijuteria, tot i no tenir el mateix aspecte que l'acer, té força resistència i no s'embruta com la plata. És habitual veure'l formar part de polseres de cuir. Només s'aprecia una pèrdua de brillantor amb el pas del temps.

Avantatges del Zamak

La fabricació de peces de fosa de Zamak presenten una sèrie d'avantatges davant la fabricació de peces per injecció d'alumini. Aquests avantatges es tradueixen sobretot en estalvi de temps, costos i millors acabats de les peces.

• El zamak necessita menys consum d'energia per a la seva transformació, ja que es fon a 400-420 º.

• La injecció de Zamak a pressió permet fabricar peces en grans volums amb una alta precisió.

• La fabricació de peces per injecció de Zamak permeten reproduir fàcilment tots els detalls de les peces, prescindint del procés de maquinat, reduint costos.

• Cicles d'injecció més ràpids.

• Estalvi de mecanitzats.

• Les peces fabricades amb Zamak permeten millors acabats i tractaments superficials (pintures, cromos i zincats).

Desavantatges del Zamak

• No suporta alts graus de tensió i torsió.

• No suporta temperatures de treballs de més de 80 º C, que causa envelliment.

• Pèrdua de propietats mecàniques (tracció, resistència a l'impacte) amb el pas del temps a temperatura ambient.

• Pèrdua de propietats mecàniques per exposició a ambients humits. La temperatura en presència d'humitat l'ataca provocant una corrosió intercristal·lina.

• Durant la injecció a pressió, és possible l'aparició de porus interns o bombolles en el procés d'injecció o bugada, la qual cosa pot derivar en la disminució de la resistència mecànica de les peces. No obstant això, una correcta injecció generarà una distribució homogènia de porus fins, la qual cosa afavorirà la tenacitat de la peça injectada, en veure's frenat el creixement d'esquerdes per aquests porus fins.

Or blanc

L' or blanc és un aliatge d' or i algun altre metall blanc, com la plata, el platí, pal·ladi, o níquel, moltes vegades recoberta de rodi d'alt brillantor (acabat mirall), a causa del brillantor lleugerament apagat del metall resultant en algunes mescles. Aquesta aliatge és molt utilitzada en joieria, especialment com a alternativa econòmica per al platí, ja que arriba a costar un terç del que costaria la mateixa quantitat d'aquest. Una barreja que va ser molt utilitzada per un temps, conté 2-4 parts d'or i una part de plata.

Propietats dels aliatges d'ús industrial

Els aliatges presenten brillantor metàl·lica i alta conductivitat elèctrica i tèrmica, encara que normalment menor que els metalls purs. Les propietats físiques i químiques són, en general, similars a la dels metalls, però les propietats mecàniques com ara duresa, ductilitat, tenacitat etc. poden ser molt diferents, per això l'interès que desperten aquests materials, que poden tenir els components de manera aïllada.

Els aliatges no tenen una temperatura de fusió única, depenent de la concentració, cada metall pur fon a una temperatura, coexistint simultàniament la fase líquida i fase sòlida com es pot apreciar en els diagrames de fase. Hi ha certes concentracions específiques de cada aliatge per les quals la temperatura de fusió s'unifica. Aquesta concentració i l'aliatge obtinguda reben el nom de eutèctica, i presenta un punt de fusió més baix que els punts de fusió dels components.

Referències

• Procés d'injecció del Zamak (castellà)