Los metales

El valor de los materiales metálicos se conoce desde tiempos prehistóricos, hasta el punto de que el descubrimiento del tratamiento de los metales marcó un hito en el desarrollo de las sociedades primitivas. Aquellas primeras culturas tuvieron que aprender las técnicas para manipular metales y fabricar con ellos armas, recipientes y objetos. Así nació la metalurgia, la industria del metal. Estos nuevos elementos también generaron rápidos cambios sociales: los pueblos que dominaban los yacimientos y que mejor aprendieron a emplear el metal comenzaron a desarrollarse más deprisa y a dominar al resto.

El interés por los materiales metálicos fue creciendo con el paso de los siglos. Con el tiempo surgió la idea de intentar transformar los metales corrientes en las modalidades preciosas, como el oro y la plata, en un conocimiento que se llamó alquimia. Aunque a menudo se ha contemplado como una dedicación esotérica propia de magos y hechiceros, la alquimia realmente sirvió para entender mejor la composición del metal y otros elementos y actuó como precursora de las ciencias químicas.

La metalurgia a lo largo de la historia

El uso de los metales por parte del ser humano marcó un antes y un después en el desarrollo de las civilizaciones. Los primeros humanos tuvieron que hacer frente a las amenazas de la naturaleza con sus manos o con aquellos útiles de madera, piedra o hueso que pudieran adaptar o fabricar. El descubrimiento de las posibilidades de trabajar el cobre o el hierro y crear con ellos armas, herramientas o utensilios más duros o duraderos dio al hombre una incalculable ventaja sobre el medio circundante e, incluso, sobre aquellas poblaciones que no poseían dicha tecnología.

Se desconoce cómo tuvo lugar el proceso. La mayoría de investigadores cree que el ser humano comenzó a interesarse por los metales como objetos ornamentales a finales de la denominada Edad de Piedra. Todavía carecía de los conocimientos necesarios para extraerlo y tratarlo por lo que lo más probable es que se empleasen formas más o menos puras que se hallasen en superficie, como puede ser las pepitas de oro que se encontraban en los cauces de los ríos.

Sin embargo, el primer metal en ser utilizado a gran escala por las sociedades del Neolítico fue el cobre en estado puro, dando inicio a la fase conocida como Calcolítico o primera Edad del Bronce (en torno al vii milenio a. C.). Empleado como objeto de lujo en los primeros tiempos, su uso se extendió a amplias zonas del mundo euroasiático a partir del iv milenio antes de nuestra era aunque de forma desigual: en Mesopotamia era trabajado ya hacia el 3500 a. C., extendiéndose la tecnología necesaria para ello hacia Grecia y otras regiones del Medio Oriente 500 años más tarde (fecha en la que también hace su aparición en China). En otras áreas como la península ibérica, la tecnología del cobre no llegó hasta finales del iii milenio.

Evolución del tratamiento de los metales en la antigüedad euroasiática.

El desarrollo de las culturas urbanas del Medio Oriente y los avances tecnológicos permitieron un importante descubrimiento: la posibilidad de alterar las propiedades físicas de los metales mediante su aleación con otras sustancias. Descubierto probablemente por casualidad, el bronce, una aleación de cobre y estaño, mostraba cualidades superiores a su predecesor, algo de especial importancia en el terreno agrícola (uso de piezas de bronce en arados) y el militar (espadas, cascos, etc.). Esto provocaría en los siglos subsiguientes un desarrollo de la industria metalúrgica sin parangón, que llevó a las sociedades del Creciente Fértil a una carrera por la adquisición de cobre y estaño para crear la aleación.

La metalurgia del cobre-bronce llevó asociada otros adelantos tecnológicos como el perfeccionamiento del fundido y moldeado de los metales o su separación del mineral al que venían asociados mediante el uso de óxidos de hierro.

El uso de los óxidos del hierro en la metalurgia del bronce significó el paulatino reemplazamiento del segundo por el primero. Las piezas de bronce producidas a finales del segundo milenio comenzaron progresivamente a contener grandes proporciones de hierro, lo que al final derivaría en una metalurgia diferenciada de este metal. Aunque la fecha de introducción de esta tecnología varía según la zona, se puede fijar la llamada Edad del Hierro en torno al 1200-1000 a. C. en Oriente Medio y Próximo.

La importancia del desarrollo de la metalurgia del hierro no debe oscurecer, sin embargo, otros adelantos referentes al trabajo del metal. A partir del 500 a. C., una vez superada la primera etapa férrea, a lo largo del mundo euroasiático se produjeron importantes avances como la explotación de la plata a gran escala, el uso de una nueva aleación de bronce, el latón, o el endurecimiento del hierro mediante una técnica basada en la repetición de ciclos de calentamiento, forja y enfriado.

De igual o mayor importancia fueron los descubrimientos para trabajar el mercurio y la conversión del hierro en acero. El uso del primero está documentado hacia el 100 a. C., y supuso una importante revolución metalúrgica debido a su capacidad de amalgamar (mezclarse) con otros metales; fue muy utilizado en los procesos de extracción de plata y oro. En cuanto al acero (una aleación de hierro con menos de un 2 % de carbono), era conocido desde la primera Edad del Hierro pero su uso no estaba extendido; fue en la India y China, en torno al II-I a. C. cuando se trabajó de forma constante aunque artesanal para la producción de armas y otros objetos.

Los siglos posteriores vieron una mejora técnica en el trabajo de los metales, especialmente el hierro. Estos avances se produjeron en aquellas regiones ricas en dicho metal como Gran Bretaña, donde el obispo de Durham en 1408 impulsó el establecimiento de las forjas operadas por energía hidráulica, o Cataluña, donde se utilizó un tipo especial de forja (la llamada forja catalana) que sería rápidamente adaptada en otras regiones europeas.

La aportación de la alquimia. Desde la aparición de las primeras técnicas de fabricación de los elementos metálicos, que supuso un importante impulso en la historia humana, poco a poco se mejoraron los procedimientos y el interés por ampliar los conocimientos acerca de estos materiales. En este aspecto tuvo un papel muy importante la alquimia, vinculada en un principio al trabajo de los magos pero imbuida también de un carácter protocientífico del que nació la química moderna. La alquimia se puede definir como un conjunto de técnicas por las que se pretendía transformar metales corrientes en preciosos, sobre todo oro y plata. Este fenómeno se conoce como transmutación.

Los alquimistas de Pietro Longhi. La metalurgia estuvo en un primer momento asociada a la alquimia debido al interés por obtener metales preciosos a partir de otros más comunes.

En el mundo griego clásico la práctica alquímica recibió el nombre de khemeia. Con los romanos y el cristianismo entró en un cierto declive hasta que, de la mano de los conquistadores árabes, reverdeció en nuevas prácticas y realizaciones alrededor del año 700 d. C. Se llamó entonces al-kimiya, palabra que en Europa derivó en «alquimia» y bajo la que se desarrolló la química durante los siguientes siglos. Aunque en el ideario de los alquimistas continuó vigente el deseo de transmutación de metales «impuros» en preciosos, progresivamente esta disciplina derivó hacia un estudio más riguroso de los materiales y sus propiedades. Así, cuando en el siglo xvi el alemán Georg Bauer publicó su obra De Re Metálica (Sobre la metalurgia), este análisis ya no se centraba sólo en los metales, sino que abarcaba todos los elementos hasta entonces conocidos.

La metalurgia industrial

A partir del siglo xviii, la metalurgia se convertiría en objeto de estudios más científicos que los realizados por la alquimia, asociándose de manera definitiva con la física. El estudio al microscopio de metales como el hierro (realizado en primera instancia por Réaumur en 1722) permitió observar su estructura, composición, características y propiedades, ofreciendo datos que serían de fundamental importancia durante la revolución industrial tardía.

La revolución industrial, surgida a mediados del siglo xviii en Gran Bretaña y extendida a diversas regiones europeas y americanas en el siglo xix, adaptó lentamente los avances de la metalurgia física. Sus primeros esfuerzos se centraron en la industria textil y la minería del carbón, mineral esencial para el funcionamiento de la máquina de vapor, símbolo de dicha revolución y que permitiría posteriormente elevar las temperaturas de los hornos de las fundiciones. Esto favoreció el salto de la siderurgia desde el terreno artesanal al verdaderamente industrial, convirtiendo al hierro en uno de los protagonistas de la primera industrialización. Gracias a ello, estructuras como la del Ironbridge sobre el río Severn, primer puente de hierro de la historia (1779), se hicieron comunes en los paisajes europeos y americanos.

A pesar de ello, se considera que el verdadero nacimiento de la metalurgia industrial tuvo lugar en la segunda mitad del siglo xix. En este sentido fue clave el trabajo de Henry Bessemer, quien en 1855 patentó un método para el trabajo del acero en el ámbito industrial. Éste consistía en remover las impurezas contenidas en el hierro mediante la insuflación de aire en el metal fundido, iniciando así un proceso de oxidación que, además, elevaba las temperaturas de los altos hornos. Se conseguía con ello un producto más puro y resistente a la par que barato, por lo que el material fue profusamente utilizado en la industria naval, ferroviaria y del armamento.

Otro nombre importante en la primera historia de la metalurgia moderna fue el de Robert Abbot Hadfield, que en 1882, tras ensayar añadiendo otros metales a la aleación del acero, comprobó que el manganeso aumentaba la dureza de este material. De este modo se inventó el acero de aleación, clave de la industria siderúrgica. En 1919 apareció el acero inoxidable, ideado por Elwoor Haynes.

El mercurio es el único de los metales que se puede presentar en estado líquido.

Todos estos avances, aunque aplicados inicialmente a la industria del hierro, repercutieron también en el trabajo de otros metales como el aluminio. Éste, un metal dúctil y maleable, se conocía de antaño pero su procesamiento era muy caro ya que exigía un importante gasto de energía para la transformación de bauxita en alúmina y de ésta en aluminio. La aplicación de las técnicas de los altos hornos y de la electricidad (electrometalurgia) a este proceso facilitó su obtención.

La mejora del proceso del aluminio es paradigmática a la hora de entender la evolución moderna de la metalurgia. En ella se dan la mano los procesos metalúrgicos tradicionales –si bien la tecnología Bessemer ha sido ya ampliamente superada por métodos como la superaleación metálica o la solidificación ultrarrápida– con la investigación física de los metales (microscopios de barrido, rayos X, etc.) y la aplicación de nuevas tecnologías.

Esto ha introducido minerales como el circonio, el titanio, el magnesio, el níquel, el cobalto o el uranio dentro del sector industrial. Aunque algunos de ellos han superado las barreras de la metalurgia y se han introducido en otros campos (por ejemplo, el uranio es fundamental en el ámbito de la energía nuclear), la mayoría se ha abierto un hueco bien como componente puro de numerosas aplicaciones electrónicas, bien asociado a los productos estrella de la metalurgia: el acero y el aluminio.

Este último punto hace que la metalurgia actual haya entrado en la época de los materiales de aleación, capaces de aunar las propiedades físicas de los metales utilizados para crear el producto final. Un ejemplo de ello son los aceros de baja aleación o los metales orgánicos, compuestos que aúnan características metálicas y plásticas y que han comenzado a ser utilizados en el mundo de la electrónica.

Características de los metales

La tabla periódica recoge de forma esquemática y ordenada en grupos y columnas todos los elementos químicos conocidos en la naturaleza y algunos fabricados artificialmente, aunque de vida efímera. Muchas de estas sustancias se consideran metales, es decir, cuentan con una serie de características propias diferenciales de este grupo. Sin embargo, a pesar de su nutrida presencia, en la superficie terrestre estos elementos apenas se encuentran en estado nativo (el oro, la plata o el cobre son algunos ejemplos raros): la mayoría de los metales están en la naturaleza combinados en diversos compuestos minerales.

Las propiedades que distinguen a los metales de otros elementos son de carácter físico, químico y mecánico. Desde un punto de vista químico, los átomos de los metales forman una estructura cristalina peculiar, dispuestos en una red perfectamente definida y regular. Cuando se producen imperfecciones en esa red, por ejemplo por ausencia de ciertos átomos en algunas de sus posiciones reservadas, tiene lugar una reducción de la resistencia del metal.

Los átomos de los metales se engarzan entre sí mediante una unión química especial que recibe el nombre de enlace metálico. Este enlace se distingue por la escasa atracción que ejercen los núcleos sobre los electrones externos de la corteza atómica. De este modo, estos electrones «de valencia» pasan a formar parte de un «fondo común» de todos los átomos, una especie de nube electrónica que rodea al conjunto y que ayuda a mantenerlo estable y unido. Este mar de electrones compartidos por los átomos explica cualidades tan propias de los metales como la ductilidad, la maleabilidad y la alta conductividad. Un factor importante más de la estructura de los átomos que conforman los metales es la elevada cantidad de dichos constituyentes atómicos distribuidos en un espacio reducido, lo que explica la relativamente alta densidad de estos materiales.

La estructura cristalina y la nube de electrones que se genera en el enlace metálico ayudan a entender las propiedades físicas de los metales. La más destacada de estas propiedades es la presencia natural de metales en estado sólido, en condiciones ambiente, salvo el mercurio, un líquido de alta densidad. Ello se debe a que los metales poseen un alto punto de fusión y necesitan temperaturas muy altas para pasar de sólido a líquido.

Otra peculiaridad de los metales es que son materiales brillantes y opacos, que reflejan la luz y no la dejan pasar al interior de su estructura. También son excelentes conductores de la electricidad y el calor. Finalmente, por su elevada densidad son, en general, densos y pesados, como bien ilustra el caso del plomo.

Por otra parte, los metales resisten muy bien la aplicación de fuerzas externas de compresión o flexión. Otras de sus cualidades destacadas son la maleabilidad, que permite su reducción a finas láminas, y la ductilidad, en virtud de la cual es posible estirar las piezas metálicas para formar alambres finos.

Metales magnéticos. Algunos metales se distinguen por la propiedad de ser magnéticos. Esto quiere decir que son atraídos por un mineral llamado magnetita, una «piedra» ya conocida en la antigüedad. Los metales que poseen esta cualidad se llaman ferromagnéticos, como el hierro, el níquel y el cobalto. Un hecho curioso es que ciertas mezclas de metales no magnéticos, como cobre, aluminio y manganeso, dan como resultado aleaciones con esta propiedad.

La corrosión. Uno de los mayores problemas que presentan los metales es la corrosión, un fenómeno por el que estas sustancias experimentan un serio deterioro al contacto con el ambiente. La corrosión se debe a un proceso de oxidación química, una reacción en la que el metal cede electrones cuando entra en contacto con átomos de oxígeno, de alta capacidad oxidante. La mayoría de los metales tienden a oxidarse en entornos húmedos, que favorecen el proceso.

La mayoría de los metales tienden a oxidarse al entrar en contacto con el aire.

Aleaciones

Muchos metales de la tabla periódica se utilizan en metalurgia en combinación con otros elementos químicos. Estas composiciones llevan el nombre de aleaciones. Así, una aleación se define como la mezcla de un metal con otro elemento, que puede ser metal o no metal. Las aleaciones se clasifican en dos tipos principales, según intervenga o no en ellas el hierro como uno de sus componentes.

Las aleaciones férricas o ferrosas, con hierro en su composición, se emplean para la obtención de los diferentes aceros que produce la industria siderúrgica, la específica del hierro. Su importancia práctica se revela por el hecho de que el 90 % de las aleaciones que se producen industrialmente tienen el hierro como componente principal.

En cambio, en las aleaciones no férricas no se utiliza hierro. Los materiales resultantes suelen ser ligeros y resistentes a la corrosión. Entre las más destacadas de estas aleaciones se encuentran el latón, formado por cobre y cinc; el peltre, de plomo y estaño; la alpaca, con cobre, níquel y cinc, y las diferentes combinaciones que emplean oro y plata.

El bronce es una aleación de cobre y estaño. Dependiendo de la proporción de éste, la aleación puede tener una gran resistencia o buenas propiedades acústicas, por lo que se utiliza en la fabricación de campanas.

La mezcla de sustancias en aleación genera diferentes materiales cuyo uso está determinado por las características propias que se consiguen. Estas propiedades dependen de la naturaleza de los componentes y de la cantidad proporcional de cada uno. Por ejemplo, el latón es blando y fácil de tornear; además es resistente a ambientes salinos, por lo cual se emplea para accesorios en la construcción de barcos. En otro ejemplo, la adición de manganeso al acero le proporciona mayor dureza.

El bronce, por su parte, es una aleación de cobre y estaño. Si la mezcla lleva entre un 5 y un 10 % de estaño, se crea un producto de máxima resistencia usado antiguamente para obtener espadas y cañones. Si el porcentaje aumenta al 20 %, el bronce podrá generar una excelente calidad de sonido al percutir sobre él, factor que es muy valorado en la fabricación de campanas. Como puede verse, una aleación de los mismos elementos de base puede tener características diferentes según las proporciones.

El acero

El acero es una de las aleaciones más importantes con las que trabaja la industria metalúrgica. Se obtiene básicamente de la mezcla de hierro y carbono (v. tabla 1). En general el porcentaje de carbono no excede el 1,76 % de la composición. Además de estas dos sustancias principales indicadas, en los aceros se suelen encontrar otros productos químicos. Algunos son simplemente impurezas que se generan durante el proceso de aleación, sobre todo azufre y fósforo; otros se añaden de forma intencionada para mejorar alguna de las características del acero. Estos componentes se llaman aleantes y se usan para mejorar la resistencia, la ductilidad o la dureza, o para facilitar algún proceso de fabricación. Algunos aleantes muy empleados son el níquel, el cromo y el molibdeno.

Tabla 1. Tipos de acero según la norma española UNE 36010.

Básicamente, el proceso de producción del acero comienza reduciendo o eliminando las impurezas del hierro fundido, añadiéndole después el carbono y los elementos necesarios para darle las propiedades deseadas. Desde el punto de vista de su composición, los aceros se pueden clasificar en dos grandes grupos. Por un lado están los aceros al carbono, formados principalmente por hierro y carbono, y suponen el 90 % de la producción de acero. Entre los artículos fabricados con ellos figuran máquinas, carrocerías de automóviles, cascos de buques, etc. Además, existen aceros aleados que contienen, además del carbono, elementos que alteran las propiedades de origen.

De esta forma, controlando la cantidad de hierro, carbono o aleantes se elaboran diversas clases de aceros cuyas diferentes características los hacen idóneos para usos específicos. Entre ellos, el acero inoxidable lleva en la mezcla cromo y níquel, que lo hace resistente a la corrosión y lo mantiene siempre brillante. Este acero tiene múltiples aplicaciones en tuberías y tanques de refinerías de petróleo o plantas químicas, fuselajes de avión o cápsulas espaciales. También se usa para fabricar instrumentos y equipos quirúrgicos y en utensilios de cocina.

Más avanzados tecnológicamente en la industria del acero son los denominados «aceros de baja aleación», en los que se reduce la cantidad de elementos caros de la mezcla con objeto de abaratar su producción. Estos aceros reciben, no obstante, un tratamiento especial con el que ganan en resistencia, incluso por encima de los aceros al carbono. Se destinan, por ejemplo, a la fabricación de estructuras y vigas de edificios o de vagones de tren.

Metalurgia

Los procesos industriales de obtención y tratamiento de metales y aleaciones se denominan genéricamente metalurgia. Estos trabajos, conocidos desde que el hombre comenzara a emplear metales como material básico, han experimentado una gran evolución durante el curso de los siglos. En la actualidad, la metalurgia constituye una importante industria que da cuenta de la capacidad económica de un país.

Los metales no suelen aparecer en estado puro en la naturaleza. En la imagen, macro de una pirita, mineral sulfuro rico en hierro.

Los procesos metalúrgicos comprenden tres fases principales:

  • Obtención del metal a partir de la mena o mineral que lo contiene en estado natural. Esta operación incluye la separación de la ganga, o material presente en los minerales que se considera inservible a efectos económicos.

  • Afino, enriquecimiento o purificación: eliminación de las impurezas que quedan en el metal.

  • Elaboración de aleaciones.

La primera fase del proceso metalúrgico consiste en la extracción de los materiales y la separación del metal del mineral o mena. En la imagen, extracción en una mina de plomo.

Estas fases conforman, a su vez, tres diferentes tipos de metalurgia: de extracción, de tratamiento y de transformación, que se analizan en detalle en los apartados siguientes.

Metalurgia de extracción

En su mayoría, los metales se encuentran combinados en la naturaleza con otros materiales, principalmente minerales. En este contexto, la metalurgia de extracción agrupa los procesos físicos y químicos por los que se extrae el metal del mineral o mena y los procedimientos de afino, que sirven para eliminar las impurezas del metal extraído. Libre de impurezas, el metal puede emplearse en la fabricación de productos o la elaboración de aleaciones.

Los primeros pasos de la metalurgia de extracción son procesos físicos que tienden a concentrar el mineral, aislando el metal del material residual o ganga. Para ello se tritura el mineral y se hace una primera división. Uno de los métodos más comunes consiste en la separación por gravedad: el material triturado pasa por una cámara con un chorro de agua o de aire, de manera que las partículas más pesadas, que contienen el metal, se decantan al fondo y el resto de la ganga es transportada por el agua o el aire a otra cámara, donde se desecha. Tras esta primera criba, el material se lleva a una segunda fase o flotación donde se vuelve a triturar y se suspende en agua. En los metales con propiedades magnéticas, el proceso de concentración aprovecha estas cualidades, con lo que después de triturarlo se hace pasar el mineral por unos imanes que atraen las partículas metálicas.

Una vez concluida esta primera parte de procesos físicos, el material obtenido se somete a otra fase de procedimientos químicos para la obtención del metal puro. Dependiendo del mineral y del metal de que se trate, se aplican técnicas de pirometalurgia, hidrometalurgia y electrometalurgia.

La pirometalurgia se basa en el uso de calor para obtener el metal puro. Consta de varios pasos, partiendo de una fase de calcinación o tostación con la finalidad de descomponer el mineral, reducirlo y concentrarlo. El material resultante avanza a un segundo proceso, de fundición, donde se somete a diversas reacciones químicas que separan los elementos en dos capas: metal fundido y material de desecho.

Otro procedimiento para separar el mineral desechable del metal es la hidrometalurgia, basada en un proceso químico acuoso. Esta técnica se utiliza, por ejemplo, en la obtención de oro, aluminio y cobre. Finalmente, en la electrometalurgia se emplean métodos de electrólisis (separación de los elementos de un compuesto aplicando electricidad) para aislar el metal puro. El metal obtenido por todos estos procesos se somete posteriormente a un afino para eliminar las últimas impurezas del metal.

Tratamiento de los metales

Por lo común, el metal obtenido tras el afino no es válido directamente para obtener los productos metalúrgicos como láminas, lingotes, perfiles u otros. Suele aplicarse entonces un tratamiento intermedio con procesos aplicados sobre metales y aleaciones para modificar su estructura o sus características físicas. En general, el objetivo de estos procedimientos es mejorar las propiedades o adaptarlas, aumentando la dureza, la resistencia mecánica o la protección a la corrosión. Los tratamientos pueden ser mecánicos o térmicos, o bien consistir en la aportación de algún elemento adicional a la superficie.

Entre los métodos térmicos se distinguen el recocido, el temple, el revenido y el endurecimiento estructural. En el recocido, primero se calienta el metal y después se deja enfriar lentamente. El temple se diferencia del anterior en que el enfriamiento es más rápido, con lo que se potencia la dureza del metal. Después se puede aplicar un revenido para atenuar el efecto de endurecimiento. Por último, se procede al endurecimiento estructural o maduración, en condiciones de temperatura casi ambiente.

Los procesos químicos modifican la estructura de los elementos, y así sus características físicas. Entre ellos destacan la cementación, o adición de carbono a la superficie para endurecerla y conferirle mayor resistencia al uso; la nitruración, un endurecimiento del metal mediante el uso de nitrógeno, y la cianuración, con cianuros. Estos tratamientos pueden aplicarse igualmente a los productos metalúrgicos ya elaborados.

Metalurgia de transformación

El siguiente paso en la industria metalúrgica consiste en elaborar productos que dependerán de la naturaleza del material y del uso que se les vaya a dar. Puede tratarse de láminas, alambres, lingotes u otros.

La separación del metal y el resto del mineral se puede llevar a cabo mediante el proceso de fundición, por el cual resultan un elemento fundido, el metal, y material de desecho.

Para preparar estos artículos se aplican técnicas de fundición y de metalurgia mecánica. En la primera, el metal se traslada a la fundición donde se calienta hasta que consigue el estado líquido. A continuación se conforman diferentes productos, que son los siguientes:

  • Bruto de colada: el metal líquido se solidifica en moldes específicos con los que se forman planchas, placas, lingotes, barras o piezas moldeadas.

  • Bruto de elaboración: se consiguen mallas, polvos, bolas, gránulos, etc.

  • Semiproductos, que suelen obtenerse a partir de productos brutos de colada o de elaboración y que son rollos de alambre y largueros, entre otros.

Tras la extracción y tratamiento, el metal pasa por un proceso de transformación que lo convierte en diversos productos como mallas, lingotes o barras (en la imagen).

Por su parte, en los tratamientos mecánicos el metal se somete a operaciones de deformación para mejorar sus propiedades y dotarle de formas determinadas. Se preparan así semiproductos metalúrgicos o artículos ya acabados. Los procesos que se distinguen en este tipo de transformación son el martillado o forja, el laminado y la soldadura.

El martillado o forja se puede realizar en el ámbito artesanal (en la imagen) o en el industrial mediante el uso de grandes presas.

El martillado o forja, en caliente o en frío, es un trabajo de golpeo con martillo, si son piezas pequeñas, o prensas, para piezas grandes. Las operaciones de forja se especializan en tareas de curvado, aplanado, estirado o alargamiento y recalado o contracción de la pieza. Mediante el laminado se obtienen planchas de metal. Finalmente, la soldadura se emplea para unir dos o más piezas metálicas mediante calor. Básicamente, el procedimiento consiste en derretir una aleación con la que se fusionarán los extremos de las dos partes. Existen diferentes técnicas de soldadura, que tienen en cuenta la temperatura, los materiales que se van a unir y la aleación usada para fundir.

Dependiendo de la temperatura aplicada es posible distinguir dos tipos de soldaduras: blandas y duras. En las primeras, comunes en trabajos de electrónica, el proceso se lleva a cabo a menos de 200 °C. Las soldaduras que necesitan más de 200 °C para la fusión se denominan duras y entre ellas cabe diferenciar otras subclases que reciben los nombres de soldadura eléctrica con arco, por puntos, a gas, por fusión, explosiva, con láser, etc.

La soldadura consiste en derretir una aleación que sirva de elemento de unión a dos o más piezas metálicas.

Tras la ejecución de estos trabajos metalúrgicos se obtienen productos susceptibles de aplicación en numerosos campos industriales. Algunos de estos artículos elaborados pueden seguir su proceso de transformación para determinadas aplicaciones finales. Tres de los procedimientos complementarios implicados son el corte, el taladrado y los acabados en superficie.

Corte de metales. Las técnicas de corte de metales persiguen dividir las piezas para facilitar su transporte y manipulación. La elección de la técnica idónea para cada situación vendrá dada por el tipo de material y por la finalidad que se persiga. Es posible realizar dos tipos de cortes: manual y mecánico. En el primero, un proceso para trabajos sencillos de manipulación de piezas pequeñas, se manejan herramientas como el martillo, el cincel, la lima o la sierra. El segundo resulta más complejo.

El corte mecánico exige el uso de máquinas industriales con mayor potencia. Dependiendo de los instrumentos pueden distinguirse cuatro técnicas alternativas: cizallado o corte con cizalla mecánica, para piezas grandes o para la producción en serie; contorneado, para dar forma a la pieza; recortado, donde una fresa secciona los contornos interiores o exteriores de la pieza según el modelo de una plantilla, y punzonado, o taladrado por medio de un punzón.

Para facilitar el procedimiento de corte de los metales se emplean fluidos con los que se enfría la pieza y se lubrica para un mejor deslizamiento de las máquinas. La fricción del metal con la herramienta de corte genera calor, mayor cuado aumenta la velocidad corte. El control de la temperatura es un aspecto importante del proceso operativo, ya que el exceso térmico induce un mayor desgaste en las herramientas y afecta a la pieza final. Se usan así fluidos, o enfriadores, para controlar la temperatura y también para lubricar la pieza, facilitando el trabajo de corte y logrando un ahorro de energía. Estos fluidos suelen ser ceras, gases, soluciones acuosas y aceites.

Taladrado. Además del corte, las piezas y productos metálicos pueden someterse a operaciones de taladrado. Éstas consisten en realizar agujeros o ensanchar aberturas mediante una herramienta específica que recibe el nombre de máquina taladradora o taladro. En esta herramienta se introduce una broca con el diámetro que se desee para la pieza. Al girar sobre sí misma a gran velocidad por la acción de la máquina, la broca puede abrir orificios y boquetes en el metal.

El metal puede ser perforado utilizando taladradoras con brocas especiales o empleando taladros de prensa (en la imagen).

En general, pueden diferenciarse dos tipos de estas máquinas: taladradoras manuales y taladros de prensa. Las primeras se emplean preferentemente en trabajos de menor envergadura. En cambio, los taladros de prensa se dedican a usos industriales en sus diversos modelos: verticales, radiales, etc.

Acabados en superficie. Como parte del tratamiento metalúrgico, algunos metales se someten a procesos en los que se mejora su acabado. Uno de los más importantes es el esmerilado o pulido de la superficie, que se realiza con herramientas conocidas como ruedas de esmerilar. Dentro de esta operación, el esmerilado sin precisión se ejecuta a mano con el propósito de eliminar el material sobrante sin necesidad de obtener un acabado perfecto. Por su parte, el esmerilado se llama de precisión si se persigue un buen acabado superficial de la pieza.

En último término, la limpieza y el revestimiento son los procesos finales a los que se puede someter un producto metálico. Al limpiarlo se eliminan virutas, suciedad o restos que pueden haber ido acumulándose en el transcurso de los tratamientos anteriores. Para ello se aplican procedimientos mecánicos, como la acción por chorro de arena o el barrilado, o baños con productos químicos como disolventes o detergentes.

Una vez eliminados estos residuos por limpieza, es posible revestir la superficie con distintos productos para conseguir aislamiento a la corrosión, protección para altas temperaturas, cambio de color, aplicación de lustre o brillo, etc. Diferentes materiales de revestimiento, como pinturas, barnices o esmaltes, sirven para modificar el aspecto o el grado de protección superficial de los productos finales. Como caso particular, en el tratamiento del hierro y el acero es común aplicar un tratamiento de superficie de galvanizado, que consiste en aplicar una capa de cinc para proteger el material de la oxidación y de la corrosión.

Metales importantes en la industria

No todos los metales poseen relevancia y usos comparables dentro de las distintas ramas de la industria. A lo largo de la historia algunos, como el hierro y el cobre, o sus aleaciones, como el bronce, han cobrado un particular protagonismo que en unas ocasiones ha decaído con el paso del tiempo y en otras se ha conservado. La industria del hierro y, más en particular, de sus aleaciones de acero mantiene un valor estratégico y económico elevado en los sectores industriales de la mayor parte de las naciones desarrolladas. Al mismo tiempo, han surgido aplicaciones de algunos otros metales, como el aluminio o el titanio, a la vez que se mantiene la importancia de ciertos metales preciosos o nobles como el oro y la plata.

Avión SR-71-B utilizado por la NASA para el entrenamiento de pilotos. El avión está realizado en titanio o aleaciones de este material, uno de los pocos metales capaces de soportar el calor generado por la fricción del aire a una velocidad de Mach-3.

En los apartados siguientes se ofrece una visión panorámica de los más importantes materiales metálicos propios de la industria: el hierro, el aluminio, el cobre y los metales nobles.

Hierro y acero

En la naturaleza, el hierro es el segundo metal más abundante, después del aluminio. Su descubrimiento en tiempos remotos auspició un notable desarrollo tecnológico de la humanidad que se llamó genéricamente edad del hierro. Desde entonces, este metal se ha extraído tradicionalmente de minerales como la limonita, la siderita, la magnetita o la pirita porque, aunque se encuentra combinado en otros compuestos, su obtención a partir de ellos resulta más costosa y compleja.

Entre las características más reseñables del hierro destacan su color gris y su buena maleabilidad y ductilidad, además de una alta temperatura de fusión (1.535 °C). El principal problema que presenta es que se oxida con facilidad si se expone al aire. Este inconveniente se ha resuelto actualmente con el empleo del hierro en aleaciones protegidas de la oxidación y destinadas a fines específicos dentro de la producción industrial. La principal de estas aleaciones es el acero.

Fragmento de pirita, mineral que presenta altas concentraciones de hierro y que se emplea habitualmente como fuente de este metal en la industria metalúrgica.

El acero es una aleación de hierro y carbono en distintas proporciones que confieren al producto resultante distintas cualidades de dureza, resistencia, textura e inoxidabilidad. Esta aleación se produce en un tratamiento que se realiza en dos fases: reducción o fusión del mineral de hierro en un horno alto o de coque y purificación del hierro fundido acompañada de la adición de diversos elementos (manganeso, cromo, níquel) para producir las ferroaleaciones. La fabricación de aceros a partir de menas de hierro es objeto de una rama industrial específica denominada siderurgia.

Aluminio

Aunque es el metal más abundante de la corteza terrestre, el aluminio no se encuentra en la naturaleza en estado libre sino combinado con minerales como la mica o el caolín, rocas y piedras preciosas (turquesa y esmeralda) o aleado con otros metales. En la industria se obtiene sólo de la bauxita y de la criolita, que permiten un proceso de extracción relativamente sencillo y económico.

El aluminio es el metal más abundante en la corteza terrestre. Su ductibilidad y maleabilidad lo han convertido en uno de los metales más utilizados en diversas industrias, desde la del automóvil a las conocidas latas de bebidas.

Este metal ofrece muchas e interesantes ventajas respecto a otros: es un magnífico conductor de la electricidad y el calor, no se ve afectado por el magnetismo y ofrece gran resistencia y durabilidad para una densidad relativamente baja, que lo hace preferible al acero en aplicaciones ligeras. Otro aspecto muy valorado es que no se corroe: al contacto con el aire se oxida rápidamente, formando una capa exterior transparente que actúa como medio de protección del metal en sí y frena extraordinariamente el proceso de corrosión. Estos factores hacen que el aluminio haya extendido enormemente sus usos y aplicaciones en las últimas décadas.

El aluminio puro es un metal blando y frágil pero sus aleaciones con pequeñas cantidades de cobre, manganeso, silicio, magnesio y otros elementos presentan una variedad de características adecuadas para las más diversas aplicaciones. Así, estas aleaciones se usan en la fabricación de componente de aviones y cohetes, donde la ligereza del material aporta un valor crítico. Cuando se evapora aluminio en el vacío, forma un revestimiento que refleja tanto la luz visible como la infrarroja, razón por la cual se ha empleado para cubrir los espejos de telescopios en sustitución de la plata.

El aluminio también es el material preferido para el armazón estructural de los automóviles o los buques. En embalajes sirve para hacer latas o el llamado papel de aluminio. Puertas, ventanas y utensilios de cocina son otros de sus usos.

Uno de los tratamientos específicos que puede recibir el aluminio es el anodizado. Este proceso consiste en sumergir el metal en una solución (generalmente ácido sulfúrico) e incorporarle un circuito eléctrico. Con ello se consigue más rápidamente el efecto de oxidación y la consiguiente producción de la capa superficial que protege al material.

Cobre

Uno de los metales conocidos y manejados desde la antigüedad, y probablemente el que primero se utilizó hasta el descubrimiento del bronce, el cobre no es de los más abundantes en la corteza terrestre. No obstante, su extracción no resulta costosa. El cobre es un metal con una alta temperatura de fusión (1.083 °C), resistente a la corrosión, dúctil, maleable y fácil de moldear. Se caracteriza por su color rojizo y sus excelentes propiedades como conductor de la electricidad y del calor. De hecho, se ha utilizado tradicionalmente en ingeniería eléctrica para la fabricación de cables y conductores y, por sus propiedades térmicas, también en utensilios de cocina.

El cobre se emplea para la confección de cableado eléctrico debido a sus propiedades como conductor térmico y eléctrico.

Metales nobles

La denominación genérica de metales nobles se aplica a un grupo de materiales que no reaccionan, o lo hacen muy poco, con los compuestos químicos. No se oxidan ni se corroen, por lo cual resultan de utilidad en numerosas aplicaciones tecnológicas y en joyería. Los más conocidos de estos metales, apreciados desde la antigüedad, son el oro, la plata, el cobre y el mercurio. También forman parte del grupo metales menos corrientes, como platino, iridio, paladio y rodio.

Oro. Metal de color amarillo que se caracteriza por una gran maleabilidad y ductilidad, el oro suele encontrarse en estado puro y no reacciona con el oxígeno ni con la mayoría de los agentes químicos. Es muy denso y posee un alto punto de fusión. También es un material blando, por lo que se mezcla normalmente con otros metales en aleaciones que mejoran sus propiedades.

El grado de pureza de las aleaciones del oro se mide en quilates. El oro de 24 quilates, que se toma como referencia, se considera puro, es decir, integrado en una «aleación» que no tiene más elementos que el oro. Cuando se habla, por ejemplo, de oro de 18 quilates, se pretende decir que de las 24 partes de la aleación, 18 son de oro puro.

Plata. La plata es un metal de color blanco dotado de las más altas conductividades térmica y eléctrica de todos los materiales de su clase. Menos maleable y dúctil que el oro, encuentra sus principales aplicaciones en electricidad, electrónica, técnicas de soldadura y fotografía.

Mercurio. El mercurio es el único metal que se encuentra en estado líquido a temperatura ambiente. Deficiente conductor del calor, muy pesado y denso, se emplea en la fabricación de espejos y termómetros y como compuesto para empastes odontológicos, así como en la industria de explosivos. Es un elemento altamente tóxico y, a altas temperaturas, emite gases perjudiciales para la salud.

Oro, plata y roca con pequeñas incrustaciones de mercurio. Los tres son metales nobles utilizados en joyería y en aplicaciones tecnológicas.

Oro, plata y roca con pequeñas incrustaciones de mercurio. Los tres son metales nobles utilizados en joyería y en aplicaciones tecnológicas.

Oro, plata y roca con pequeñas incrustaciones de mercurio. Los tres son metales nobles utilizados en joyería y en aplicaciones tecnológicas.

Toxicidad de los metales

En un estado natural, los elementos interaccionan con el medio ambiente a través de procesos geológicos como la erosión de las rocas o la erupción de los volcanes. Los organismos vivos incluyen también en su composición cantidades pequeñas de ciertos metales. Así, el hierro, el cobalto o el cinc son necesarios para el equilibrio vital de animales y plantas. Sin embargo, una concentración excesiva de estos y otros materiales metálicos puede resultar nociva y causar serios problemas de contaminación ambiental.

Así, los residuos provenientes de la extracción de los metales, además de otras industrias como la minera o las fundiciones, contaminan el suelo, el agua y la atmósfera. Algunos, como el mercurio, no son metabolizados por los seres vivos y se acumulan en su organismo. De este modo, los depredadores que consumen carne contaminada van acumulando en su propio cuerpo cantidades crecientes de los mismos, como sucede también en el propio ser humano, situado en la parte alta de la cadena alimenticia.

Numerosos hidrocarburos contienen metales pesados como el plomo. Durante el proceso de combustión, ya sea en el ámbito industrial o en el privado, éste es liberado a la atmósfera provocando graves daños medioambientales.

También la emisión de gases de automóviles y calefacciones supone un grave problema ambiental con presencia de partículas de metales en suspensión. No obstante, las sustancias que provocan los principales problemas de contaminación y toxicidad son los llamados «metales pesados», entre ellos el plomo, el cadmio, el mercurio, el cobre, el níquel o el manganeso.

De este modo, el acelerado desarrollo industrial de los últimos siglos ha hecho que la acumulación de metales pesados alcance niveles preocupantes para la salud y el medio ambiente. Aun así, el mercurio se sigue utilizando profusamente en las minas de oro de Latinoamérica y el arsénico, junto con los compuestos de cobre y cromo, es un ingrediente muy común en los conservantes de la madera. Muchas industrias emiten cantidades notables de estos metales pesados, que se acumulan en medios terrestres, aéreos y acuáticos, afectando a los organismos que prosperan en ellos.

En la atmósfera, la situación se agrava por las emisiones de gases con un alto contenido en plomo, hasta hace escasas décadas un componente esencial en las gasolinas y otros combustibles. La preocupación por la contaminación por metales pesados y su efecto en los seres vivos ha impulsado iniciativas para reducir estas emisiones; por ejemplo, la gasolina con plomo ha sido sustituida por variedades menos contaminantes. En este sentido, el Protocolo de Kyoto es un ejemplo del esfuerzo de los Gobiernos y las organizaciones internacionales por controlar las emisiones contaminantes.