Aliatge de plom i estany destinat a la soldadura de components electrònics.
Unaliatge és unabarreja homogènia de dos o méselements, dels quals com a mínim un ha de ser unmetall. La substància resultant presenta unes propietats força diferents de les delselements constitutius per separat, i de vegades n'hi ha prou d'afegir una molt petita quantitat d'un element per tal que apareguin. La tècnica de l'aliatge s'utilitza per a millorar algunes propietats dels metalls purs, com ara la resistència mecànica, laduresa o la resistència a lacorrosió. Així, l'acer és molt més dur que elferro, que n'és l'origen i al qual s'ha afegitcarboni. D'altra banda, algunes propietats físiques com ladensitat, lareactivitat, elmòdul elàstic o la conductivitattèrmica ielèctrica de l'aliatge no difereixen gaire de la dels elements primaris. Alguns aliatges comuns són elllautó, fet ambcoure izinc, o elbronze, fet amb coure iestany.
Tipus d'aliatges
Els aliatges es formen generalment per lafusió dels seus components i posteriormescla conjunta ensolidificar-se. Però tret dels metalls, molts aliatges no tenen unpunt de fusió determinat sinó que presenten un rang de mescla entre lesfasessòlida ilíquida. La temperatura en la qual comença la mescla s'anomenasolidus i la temperatura en la qual finalitza rep el nom deliquidus. Tanmateix hi ha molts aliatges per als 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.
Existeix, però, un mètode de producció d'aliatges anomenataliatge mecànic que es basa en la molta continuada i conjunta dels components. El material és sotmès a una sèrie de moviments i friccions que afavoreixen la formació de dissolucions sòlides a causa, entre altres motius, de la reducció de la seva mida cristal·lina.
L'exsudació,extravasació oinfiltració és la presència anormal d'un dels constituents a la superfície d'un aliatge.
Elcoure és un dels primers metalls utilitzats per l'ésser humà; probablement va ser descobert accidentalment fa entre 6.000 i 10.000 anys en focs de carbó vegetal que cremaven particularment calents quan s'exposaven a l'aire. Va donar nom a l'Edat del Coure. Amb un punt de fusió de 1.083 °C, pot escapar de les vetes de coure de la roca en forma líquida. En canvi, en escalfar els minerals oxídics que contenen coure, aquest només es pot extreure amb cocció reductora, és a dir, en presència de carbó vegetal. L′estany (punt de fusió 232 °C) va ser descobert fa uns 5.000 anys.[1]
Elbronze[2] com a aliatge de coure i estany (CuSn) es registra a laprehistòria des d'aproximadament l'any 3300 aC aPalestina. El bronze és més dur i méstallant que el coure i va donar lloc a l'edat del bronze (c. 2200 a 800 aC) el seu nom. Objectes d'ús diari,eines,armes ijoies estaven fets de bronze.[3] Les campanes de les esglésies encara es fonen en bronze avui dia; també s'utilitza per fer escultures.
Elllautó és un aliatge decoure izinc (CuZn, punt de fusió 420 °C). El zinc s'ha utilitzat, sobretot en forma de carbonat de zinc calamina (smithsonita), des de l'Edat de Bronze, al voltant de 3000 aC aBabilònia iAssíria, aPalestina al voltant de 1400 a 1000 aC.[4] El llautó va ser durant molt de temps un important metall d'encunyació demoneda. També s'utilitzava i s'utilitza per a la producció de joies i escultures per la seva brillantor daurada. Com més gran és el contingut de zinc, més clar és el to.
Els aliatges deferro ja s'utilitzaven en laprehistòria, però només a partir demeteorits, que sovint contenien l'aliatge ferro-níquel (FeNi). Com que els meteorits eren rars, els objectes de ferro eren molt valuosos. Elssumeris l'anomenaven "metall del cel", elsantics egipcis "coure negre del cel".[5] Foneries de ferro (reconeixement per absència de níquel) s'han trobat a laMesopotàmia,Anatòlia iEgipte; es va originar al voltant del 3000 al 2000 aC. Era més valuós que l'or i s'utilitzava principalment amb fins cerimonials. Els aliatges de ferro són més durs que el bronze i el coure, cosa que era i és important en moltes aplicacions.Les millores en l'extracció i processament del ferro van portar a la gent a fabricararmes i eines tals comarats de ferro. L'Edat de Bronze va arribar al final amb el començament de l'Edat de Ferro.
Ferro pudellat a la Xina, al voltant de 1637. A diferència de la majoria dels processos d'aliatge, l'enrenou líquid s'aboca des d'un alt forn a un recipient i s'agita per eliminar el carboni, que es difon a l'aire formant diòxid de carboni, deixant unacer al carboni per produir ferro forjat
La primera fosa de ferro coneguda va començar aAnatòlia, al voltant del 1800 aC. El procés utilitzat era el del forn baix, que permetia produir ferro forjat, suau però molt ductilitat dúctil. Cap a l'any 800 aC, la tecnologia de fabricació de ferro s'havia estès a Europa i va arribar al Japó al voltant de l'any 700 aC. Ellingot d'alt forn, un aliatge molt dur però trencadís de ferro icarboni, es produïa a laXina ja l'any 1200 aC, però no va arribar a Europa fins a l'Edat Mitjana. Aquest material té un punt de fusió més baix que el ferro i es va utilitzar per fabricar alguns objectes de fosa de ferro. No obstant això, va tenir poc ús pràctic fins a la introducció de l'acer de gresol al voltant de l'any 300 aC. Tot i que s'obtenien acers de mala qualitat, la introducció del treball de forja al voltant delsegle i, va permetre equilibrar les propietats extremes dels aliatges mitjançant laminat a martell per crear un metall més resistent. Al voltant de l'any 700 dC, els japonesos van començar a doblegar acer i ferro fos en capes alternes per augmentar la resistència de les seves espases, utilitzant fundents d'argila per eliminar lesescòries i les impureses de l'arrel. El mètode de forja d'espases japoneses va permetre produir un dels aliatges d'acer més purs del món antic.[6]
Si bé l'ús del ferro va començar a generalitzar-se al voltant de l'any 1200 aC, principalment a causa de les interrupcions a les rutes comercials de l'estany, el metall era molt més tou que el bronze. No obstant això, quantitats molt petites d'acer (un aliatge de ferro i al voltant de l'1% de carboni) sempre van ser un subproducte del procés de fosa. La capacitat de modificar la duresa de l'acer mitjançanttractament tèrmic es coneixia des de l'any 1100 aC, i aquest rar material era valorat per a la fabricació d'eines i armes. Com que els antics no podien produir temperatures prou altes com per fondre completament el ferro, la producció d'acer en quantitats significatives no es va produir fins a la introducció de l'acer en brut durant l'Edat Mitjana, mitjançant un procediment que afegia carboni escalfant el ferro forjat en carbó vegetal durant llargs períodes. Tot i això, l'absorció de carboni d'aquesta manera és extremadament lenta, per la qual cosa la penetració en el ferro no era gaire profunda i l'aliatge no era homogènia. En 1740,Benjamin Huntsman va començar a fondre acer en brut en un gresol per igualar el contingut de carboni, creant el primer procés per a la producció en massa d'acer per a eines. El procés d'Huntsman es va utilitzar en la fabricació d'acer per a eines fins a principis delsegle xx.[7]
La introducció de l'alt forn a Europa a l'Edat Mitjana va significar que es podia produir lingots d'alt forn en volums molt més grans que el ferro forjat. Com que l'enrenou es podia fondre, es van començar a desenvolupar processos per reduir el carboni a l'enrenoulíquid amb el propòsit de produir acer. El mètode depodellatge s'havia utilitzat a la Xina des delsegle i i es va introduir a Europa durant elsegle xviii. Consisteix a agitar l'arrel fos mentre s'exposa a l'aire per eliminar el carboni mitjançantreducció-oxidació. El 1858,Henry Bessemer va desenvolupar un procés de fabricació d'acer injectant aire calent a través de l'enrenou líquid per reduir el contingut de carboni. Elconvertidor Bessemer va conduir a la fabricació d'acer a gran escala per primera vegada.[7]
L'acer és un aliatge de ferro i carboni, però el terme "acer aliat" generalment només es refereix a acers que contenen altres elements (comvanadi,molibdè ocobalt) en quantitats suficients per alterar les propietats de l'acer base. Des de l'antiguitat, quan l'acer es feia servir principalment per fabricar eines i armes, els mètodes de producció i treball del metall eren sovint secrets gelosament guardats. Fins i tot molt després de laIl·lustració, la indústria de l'acer era molt competitiva i els fabricants van fer tot el possible per mantenir els seus processos en secret, resistint-se a qualsevol intent d'analitzar científicament el material per temor que es revelessin els seus mètodes. Per exemple, se sabia que aSheffield, un centre de producció d'acer situat a Anglaterra, rutinàriament es prohibia l'entrada a la ciutat a visitants i forasters per evitar l'espionatge industrial. Per tant, gairebé no va existir informació metal·lúrgica sobre l'acer fins a 1860. A causa de la generalitzada manca de documentació sobre la metal·lúrgia, l'acer generalment no es va considerar un aliatge fins a les dècades compreses entre 1930 i 1970 (principalment a causa del treball de científics comWilliam Chandler Roberts-Austen,Adolf Martens iEdgar Bain), per la qual cosa el termeacer aliat es va convertir en el nom popular per denominar els aliatges d'acer ternaris i quaternaris.[8][9]
Després que Benjamin Huntsman va desenvolupar el seuacer de gresol en 1740, va començar a experimentar amb l'addició d'elements commanganès (en forma de lingot d'alt forn amb alt contingut de manganès anomenatspiegeleisen; ferro de mirall), que va ajudar a eliminar impureses com a fòsfor i oxigen; un procés adoptat per Bessemer i encara utilitzat en acers moderns (encara que en concentracions prou baixes per continuar considerant-se acer al carboni).[10] Posteriorment, es va començar a experimentar amb diversos aliatges d'acer sense gaire èxit, fins que el 1882,Robert Hadfield, pioner en la metal·lúrgia de l'acer, es va interessar i va produir un aliatge d'acer que contenia al voltant d'un 12% de manganès. Aquest compost, conegut com aacer al manganès, posseeix una duresa i tenacitat extremes, convertint-se en el primer aliatge d'acer comercialment viable.[11] Posteriorment va crearacer elèctric, iniciant la recerca d'altres possibles aliatges d'acer.[12]
Robert Forester Mushet va descobrir que afegintwolframi a l'acer es podien produir talls molt durs que eren resistents a la pèrdua de duresa a altes temperatures. L'"acer especial de R. Mushet" (RMS) es va convertir en el primeracer ràpid.[13] L'acer de Mushet va ser ràpidament reemplaçat pelcarbur de wolframi, desenvolupat per Taylor i White en 1900, en el qual van duplicar el contingut de tungstè i van afegir petites quantitats de crom i vanadi, produint un acer superior per al seu ús en torns i eines de mecanitzat. En 1903, elsgermans Wright van utilitzar un acer al crom-níquel per fabricar el cigonyal del seu motor d'avió, mentre que en 1908Henry Ford va començar a utilitzar acers al vanadi per a peces com cigonyals i vàlvules en el seuFord T, degut a la seva major resistència i millor comportament a les altes temperatures.[14] En 1912, l'Aceria Krupp a Alemanya va desenvolupar un acer resistent a l'oxidació afegint un 21% decrom i un 7% deníquel, produint el primeracer inoxidable.[15]
De manera anàloga a lessolucions líquides, també hi ha solucions sòlides metàl·liques que són formades 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 laxarxa cristal·lina d'un altre metall, és necessària la concurrència d'algunes condicions (lesregles de Hume-Rothery):
Elradi atòmic del solut no pot diferir més del 15 % del que tingui el solvent.
L'estructura cristal·lina dels dos elements ha de ser similar, millor si són idèntiques.
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.
Lavalència del solut i solvent han de ser el més similars possible. La màxima solubilitat es dona quan tots dos tenen la mateixa valència. Els metalls amb una valència petita tendeixen a dissoldre els metalls amb una valència superior.
Aliatge dur: Dit de l'aliatge deduresa molt elevada utilitzat. Són aliatges especialment indicats per al tall de metalls, per a matrius i per a peces que requereixen gran resistència a l'abrasió mecànica. En són exemples: elsacers ràpids, els aliatges nomenatsStellite a base decobalt,crom itungstè, i els carburs aglomerats (com els metallsKenna i vídia), constituïts essencialment per carbur de tungstè (amb addicions de carbur detitani, detàntal i deniobi) aglomerat ambcobalt.[16]
Aliatge fusible: dit de l'aliatge de punt defusió molt baix (denominació sovint aplicada als aliatges que es fonen per sota de 230 °C). Són principalment aplicats enfusibles, per a la creació de motlles, foneria, entre d'altres. Com a principals components hi trobem: elbismut, elplom, l'estany i elcadmi.[17]
Aliatge refractari: A diferència de l'anterior, l'aliatge refractari pot ser utilitzat a temperatures elevades (de l'ordre dels 900 °C o més). Si bé no tots aquests aliatges es poden emprar sempre a 900 °C, es consideren aliatges refractaris alguns acers inoxidables austenítics (com per exemple l'acer amb el 25 % de crom i el 20 % de níquel) i alguns aliatges a base de níquel o cobalt, amb quantitats importants de crom. Per a resistir temperatures superiors als 1.000 °C s'empren aliatges que contenen com a components principals els anomenats metalls refractaris, que es fonen per damunt de 1 800 °C (elcrom, elmolibdè, eltungstè, elniobi i eltàntal. Una de les aplicacions més antigues d'aquests aliatges és la fabricació de filaments per a bombetes.[18]
Antifricció: Dit dels aliatges destinats a aplicacions on cal resistència al fregament (com per exemple els coixinets que aguanten arbres en rotació). Per la seva aplicació solen serdurs, per a reduir el fregament,plàstics, per tal de minimitzar la possibilitat d'enferritjament del sistema mecànic, i han de tenir bona conductibilitat tèrmica (per a evitar escalfaments excessius).[19]
Callister, William.Introducción a la ciencia e ingeniería de los materiales, vol. I (en castellà, traduït de l'anglès). Barcelona: Reverté, 1995.ISBN 84-291-7253-X.
