CAPÍTULO II
INTRODUCCIÓN
A LOS METALES
REFRACTARIOS
Los metales refractarios son en cierta manera olvidados en el mundo de los materiales,
pero en realidad son una parte muy importante del desarrollo de nuevas nuevas tecnologías en diferentes sectores de la industria, puesto que poseen excelentes propiedades físicas a temperaturas extremas de calor, es por esto que son utilizados de manera frecuente en la industria automotriz y aeroespacial.
2.1. Historia de los materiales materiales refractarios. refractarios. Podemos decir que los materiales refractarios son grandes desconocidos, no solo para el público en general sino, incluso para el medio industrial, no obstante que la historia de estos data de hace muchos años atrás ya que han sido utilizados por la humanidad casi desde el comienzo de la misma. Cerámicos o no cerámicos, los materiales refractarios se caracterizan por su elevada resistencia a las altas temperaturas sin deterioro de sus propiedades físicas y químicas. Los materiales refractarios más antiguos, fueron piedras naturales, como granitos areniscas, cuarcitas, piedra pómez, cortados en bloques de dimensiones adecuadas para construir los hornos (Ballester, 2012) utilizados para la elaboración de pan y de sus alimentos diarios. A mediados del siglo XVIII es cuando se sustituyen estos materiales por ladrillos de arcilla cocida "sílice-aluminosos" (P. Groover., 2012) . Posteriormente a los ladrillos de arcilla cocida aparecieron los ladrillos de sílice. Sin embargo, los primeros ladrillos de sílice, unidos entre sí con mortero de cal, se emplearon en Persia hacia el año 500 a. de C. en la construcción del palacio de Darío (Ballester, 2012). Dichos ladrillos tenían que estar sometidos a una cocción de aproximadamente unos 1200 ºC, debido a la complejidad de la fabricación de estos nuevos ladrillos se utilizaron solamente en la construcción de ostentosas edificaciones de la gente pudiente de aquel entonces. Después de mucho experimentar con diferentes concentraciones y diversas materias primas los primeros refractarios funcionales fueron fabricados hacia el año 1842 en Inglaterra por W. W. Young fabricante de porcelana, utilizando una roca que se encontraba en el Valle de Neath, al Sur de Gales, y que recibía el nombre de Dinas, de ahí el nombre de ladrillos de Dinas (dinas bricks) (P. Groover., 2012) dado durante muchos años a los ladrillos de sílice, y que todavía se encuentra en alguna literatura.
pero en realidad son una parte muy importante del desarrollo de nuevas nuevas tecnologías en diferentes sectores de la industria, puesto que poseen excelentes propiedades físicas a temperaturas extremas de calor, es por esto que son utilizados de manera frecuente en la industria automotriz y aeroespacial.
2.1. Historia de los materiales materiales refractarios. refractarios. Podemos decir que los materiales refractarios son grandes desconocidos, no solo para el público en general sino, incluso para el medio industrial, no obstante que la historia de estos data de hace muchos años atrás ya que han sido utilizados por la humanidad casi desde el comienzo de la misma. Cerámicos o no cerámicos, los materiales refractarios se caracterizan por su elevada resistencia a las altas temperaturas sin deterioro de sus propiedades físicas y químicas. Los materiales refractarios más antiguos, fueron piedras naturales, como granitos areniscas, cuarcitas, piedra pómez, cortados en bloques de dimensiones adecuadas para construir los hornos (Ballester, 2012) utilizados para la elaboración de pan y de sus alimentos diarios. A mediados del siglo XVIII es cuando se sustituyen estos materiales por ladrillos de arcilla cocida "sílice-aluminosos" (P. Groover., 2012) . Posteriormente a los ladrillos de arcilla cocida aparecieron los ladrillos de sílice. Sin embargo, los primeros ladrillos de sílice, unidos entre sí con mortero de cal, se emplearon en Persia hacia el año 500 a. de C. en la construcción del palacio de Darío (Ballester, 2012). Dichos ladrillos tenían que estar sometidos a una cocción de aproximadamente unos 1200 ºC, debido a la complejidad de la fabricación de estos nuevos ladrillos se utilizaron solamente en la construcción de ostentosas edificaciones de la gente pudiente de aquel entonces. Después de mucho experimentar con diferentes concentraciones y diversas materias primas los primeros refractarios funcionales fueron fabricados hacia el año 1842 en Inglaterra por W. W. Young fabricante de porcelana, utilizando una roca que se encontraba en el Valle de Neath, al Sur de Gales, y que recibía el nombre de Dinas, de ahí el nombre de ladrillos de Dinas (dinas bricks) (P. Groover., 2012) dado durante muchos años a los ladrillos de sílice, y que todavía se encuentra en alguna literatura.
En la composición característica de las piedras dinas podemos observar como materia prima principal sílice, como impurezas comunes entra alúmina, óxido de hierro y cal, una vez molida se mezclaba con una pequeña cantidad de cal o arcilla, y se prensaban para compactar la mezcla y eliminar humedad (P. Groover., 2012) . La composición de este ladrillo era:
93 % de SiO2
3,5% de Al2O3
3,5% de CaO (Chavez, 2010).
2.2. Materiales refractarios. Los refractarios son materiales, que en condiciones de servicio resisten elevadas temperaturas, erosión, abrasión, impacto, ataque químico, acción de gases corrosivos y otras experiencias no menos recias. Estos materiales refractarios son aquellos productos naturales o artificiales cuya resistencia a altas temperaturas sin fundir o reblandecer es igual o superior a 1500 ºC (Smith, 2011) . La definición anterior solo hace referencia a las temperaturas mínimas que debe de ser capaz de resistir un refractario, sin tener en cuenta otro tipo de condiciones. Es importante precisar que la resistencia piroscópica es una condición necesaria, pero no es suficiente para que una material sea considerado como refractario, ya que además debe conservar a dichas temperaturas elevadas una resistencia mecánica y/o una resistencia a la corrosión suficientes para el empleo a que se destine.
2.2.1. Refractarios ácidos. Este tipo de refractarios incluyen las arcilla de sílice, de alúmina y refractarios de arcilla. El sílice puro a veces se utiliza para contener metal derretido. Los refractarios de arcilla por lo general son relativamente débiles, pero poco costosos. Contenidos de alúmina por arriba de aprox. 50% a un 80% de Al203 y un 10% a un 45% de SiO2 constituyen los refractarios de alta alúmina (WILLkIM D. CALLISTER, 2013) . Se utilizan en áreas donde la escoria y la
atmósfera son ácidas, es decir que son estables a los ácidos, pero atacados
por los álcalis.
2.2.2. Refractarios básicos. Varios refractarios se basan en el MgO (magnesia o periclasa) (C . ALVAREZ, 2013). El MgO puro tiene un punto de fusión alto, buena refractariedad, buena
resistencia al ataque por los entornos que a menudo se encuentran en los procesos de fabricación de acero (Ballester, 2012). Típicamente, los refractarios básicos son más costosos que los refractarios ácidos.
2.2.3. Refractarios neutros. Este tipo de refractarios son poco comunes, normalmente incluyen la cromatina y la magnesita, pueden ser utilizados para separar refractarios ácidos de los básicos, impidiendo que uno ataque al otro (Askeland, 2011) .
2.2.4. Refractarios Especiales. El carbono, el grafito, es utilizado en muchas aplicaciones refractarias, particularmente cuando no hay oxígeno fácilmente disponible. Estos materiales refractarios incluyen la circonia (ZrO2), el circón (ZrO2.SiO2) y una diversidad de nitruros, carburos y boruros (TORO, 2010) .
Tabla 1.- Condiciones que deben de soportar los materiales refractarios .
2.3. Clasificación de los materiales refractarios. No existe un criterio único de clasificación de los materiales refractarios. Así, según sea el criterio que se tome como base se tendrá una clasificación u otra.
Las clasificaciones no son siempre muy precisas, pero tienen su utilidad. Se pueden clasificar de acuerdo con criterios diferentes, tales como:
Composición química.
Propiedades acido-base (Carácter químico).
Forma o presentación. Atendiendo a las características físicas del producto acabado.
Porosidad de los productos (Finalidad).
Uso.
Aplicación.
2.4. Metales refractarios. Los metales refractarios son una clase de metales que son extraordinariamente resistentes al calor y al desgaste. La expresión se utiliza sobre todo en el contexto de la ciencia de materiales, la metalurgia y la ingeniería. Todos ellos comparten algunas propiedades, incluyendo un punto de fusión por encima de 2000 °C y alta dureza a temperatura ambiente (P. Groover., 2012) . Ellos son químicamente inertes y tienen una densidad relativamente alta. Sus puntos de fusión altos hacen que la metalurgia en polvo el método de elección para la fabricación de componentes a partir de estos metales. Algunas de sus aplicaciones incluyen herramientas para trabajar metales a altas temperaturas, filamentos de alambre, moldes de fundición, y los vasos de reacción química en ambientes corrosivos (WILLkIM D. CALLISTER, 2013) . En parte debido al alto punto de fusión, metales refractarios son estables frente a la deformación de fluencia a temperaturas muy altas. Debido a que en la manufactura se emplean en enormes cantidades los metales, es necesario saber que existen metales que son refractarios. Estos metales son aquellos capaces de soportar temperaturas muy elevadas, y por esa razón son muy utilizados en la industria, de tal modo que es necesario conocer sus aleaciones y aplicaciones. Los metales refractarios más importantes son el molibdeno (Mo) y el tungsteno (W), mientras que también existen otros como el niobio (Nb) y el
tantalio (Ta) (P. Groover., 2012) . Dichos metales y sus aleaciones son muy importantes porque pueden conservar una resistencia y dureza elevadas a temperaturas altas.
2.4.1. Molibdeno. Comenzaremos hablando del molibdeno, tiene un punto de fusión alto de 2619ºC (4730 ºF) y es relativamente denso, rígido y fuerte (Carmen Mijangos, 2010). Este metal tiene varias complicaciones para su extracción aun cuando
está ampliamente distribuido por la corteza terrestre, pero sólo existen minas de este elemento en algunos países; puesto que hay muy pocos depósitos de mineral molibdenita (MoSO2) que tengan una calidad suficientemente alta (James, 2010 ). Cierta cantidad de molibdeno se obtiene como subproducto
durante el proceso de los minerales de cobre. Las centrales eléctricas que utilizan carbón pueden ser fuentes importantes de molibdeno. El molibdeno es un oligoelemento esencial. Se utiliza tanto como metal puro (99.9% + %Mo) y como aleación (Nordberg, METALES: PROPIEDADES QUíMICAS Y TOXICIDAD, 2010) , la principal
aleación es TZM que contiene cantidades pequeñas de titanio y zirconio. Debido a sus propiedades y en especialmente su buena resistencia a alta temperatura, tiene muchas aplicaciones que incluyen escudos contra el calor, elementos de calefacción, electrodos para soldadura por resistencia, troqueles para trabajos a altas temperaturas. Además dicho metal se utiliza mucho como ingrediente de aleación de otros metales, como aceros y superlaciones. Forma una gran variedad de compuestos comercialmente útiles con las valencias 0, +2, +3, +4, +5 y +6. Modifica rápidamente su estado de valencia (se desproporciona) con cambios mínimos en las condiciones externas (Solà, 2012). Muestra una fuerte tendencia a formar complejos; con excepción de los
sulfuros y los haluros, existen muy pocos compuestos simples más. Más del 90 % del molibdeno que se produce se utiliza como elemento de aleación para el hierro, el acero y metales no ferrosos (Carmen Mijangos, 2010) , especialmente por sus propiedades de resistencia al calor; el resto se utiliza en
la fabricación de productos químicos y lubricantes. Como aleación del acero, el molibdeno se utiliza en la industria eléctrica, electrónica, militar y automovilística, así como en ingeniería aeronáutica. Otro uso importante del molibdeno es la producción de pigmentos, tintes y lacas de molibdeno inorgánico. Una cantidad pequeña, aunque cada vez más importante, de molibdeno se utiliza como elemento traza en los fertilizantes (ICMM, 2010 ) . El compuesto de molibdeno más importante es el trióxido de molibdeno (MoO3), que se obtiene por calcinación del mineral de sulfuro (Chavez, 2010) . El trióxido de molibdeno puro se utiliza para la fabricación de productos químicos y catalizadores, y también se añade al acero como agente de aleación. Se emplea asimismo como catalizador en la industria del petróleo y como componente de cerámicas, barnices y pigmentos. El disulfuro de molibdeno (MoS2) se usa como lubricante resistente a altas temperaturas o como aditivo para lubricantes (Askeland, 2011) . El hexacarbonilo de molibdeno (Mo(CO)6) es la materia prima utilizada para la fabricación de colorantes orgánicos de molibdeno (Smith, 2011) y cada vez se emplea más para el recubrimiento con molibdeno mediante descomposición térmica. Los compuestos de molibdeno se utilizan mucho como catalizadores y activadores o promotores de catalizadores, especialmente en las operaciones de hidrogenación-cracking, alquilación y reformado en la industria petrolífera. También se utilizan como reactivos de laboratorio, en galvanoplastia y en los procesos de curtido. Con sus extraordinarias propiedades mecánicas y químicas, el molibdeno es un material excelente para las mayores exigencias. Dado que el molibdeno posee un punto de fusión muy alto, un bajo coeficiente de expansión térmica y una elevada conductividad térmica, se utiliza en muchas industrias diferentes. El molibdeno es realmente polivalente. Utilizamos este material, por ejemplo, para producir cintas e hilos para la industria del alumbrado, placas base para semiconductores para la electrónica de potencia, electrodos de fusión de vidrio, cámaras calientes para hornos de alta temperatura y cátodos
para sputtering para el recubrimiento de células solares y pantallas planas (Nordberg, METALES: PROPIEDADES QUíMICAS Y TOXICIDAD, 2010) .
2.4.2. Niobio. El niobio (Nb) se encuentra con otros elementos, como el titanio (Ti), el circonio (Zr), el tungsteno (W), el torio (Th) y el urano (U), en minerales como la tantalita-columbita, la fergusonita, la samarskita, el pirocloro, la koppita y la loparita (Villar, 2010) . Los principales depósitos están situados en Australia y Nigeria, pero en los últimos años se han descubierto algunos muy importantes en Uganda, Kenya, Tanzania y Canadá. El niobio se utiliza mucho en la industria del electrovacío, así como en la fabricación de ánodos, rejillas, condensadores electrolíticos y rectificadores. En la ingeniería química, el niobio se emplea como material resistente a la corrosión para termo intercambiadores, filtros, válvulas de aguja, etc. Con aleaciones de niobio se fabrican herramientas de corte de gran calidad y materiales magnéticos. Para aparatos termonucleares se usa la aleación de ferroniobio. El niobio y sus aleaciones refractarias encuentran empleo en el ámbito de la tecnología de los cohetes, de los aviones supersónicos, del equipamiento para vuelos interplanetarios y de los satélites (Carmen Mijangos, 2010). El niobio se utiliza además en cirugía.
2.4.3. Tántalo. El tántalo (Ta) se obtiene de los minerales tantalita y columbita, que son mezclas de óxido de hierro, manganeso, niobio y tántalo (Villar, 2010). A pesar de que se consideran elementos raros, la corteza terrestre contiene aproximadamente un 0,003 % de niobio y tántalo juntos (Gregorio Lopez-Lopez, 2011), que son elementos químicamente similares y generalmente se
encuentran combinados. El uso principal del tántalo es la producción de capacitores eléctricos. El polvo de tántalo se comprime, se sinteriza y se somete a oxidación anódica (Ballester, 2012). La película de óxido que se forma en la superficie sirve de
aislante y cuando se introduce en una solución electrolítica, se obtiene un
capacitor de alta calidad. Estructuralmente, el tántalo se utiliza cuando se requiere un elevado punto de fusión, una alta densidad y resistencia a los ácidos. Se emplea mucho en la industria química. Se usa asimismo en los rectificadores de las señales de ferrocarril, en hilo de sutura para cirugía y en la reparación de hueso, tubos de vacío, hornos, herramientas de corte, prótesis, toberas para hilar fibras y material de laboratorio (Carmen Mijangos, 2010) . El carburo de tántalo se utiliza como abrasivo y el óxido de tántalo en la fabricación de un vidrio especial con un alto índice de refracción para lentes de cámaras.
2.4.4. Tungsteno. El tungsteno (W) es el más rígido, duro y el que tiene el punto de fusión más alto de 3400ºC (6150ºF) de todos los metales puros, además de ser uno de los más densos (Nordberg, METALES: PROPIEDADES QUíMICAS Y TOXICIDAD, 2010). Su aplicación más conocida es el filamento de focos incandescentes, así
como también se utiliza para cohetes y motores a reacción, electrodos de soldadura con arco y como elemento de aleaciones de aceros para herramientas (resistentes al calor) y para el carburo de tungsteno. Nunca se encuentra libre en la naturaleza, sino combinado en algunos minerales, en forma de tungstenos de calcio, hierro o manganeso. De los minerales de tungsteno conocidos, la scheelita (CaWO4), la wolframita ((Fe,Mn)WO4), la hubnerita (MnWO) y la ferberita (FeWO4) tienen importancia comercial (WILLkIM D. CALLISTER, 2013) . Se calcula que las reservas mundiales totales de trióxido de tungsteno (WO3) ascienden aproximadamente a 175.000.000 de toneladas (Smith, 2011). Los minerales de tungsteno se suelen extraer de yacimientos subterráneos, aunque también se emplean tajos a cielo abierto y otros métodos más primitivos. El contenido de tungsteno del mineral extraído se sitúa entre el 0,5 y el 2,0 % (P. Groover., 2012) . Las impurezas más comunes son las gangas como el cuarzo y la calcita y minerales metálicos de cobre, bismuto, estaño y molibdeno.
El tungsteno es un componente de los metales duros. Se utiliza para aumentar la dureza, la resistencia, la elasticidad y la resistencia a la tracción del acero. También se emplea en la producción de aceros al tungsteno para automóviles y herramientas de corte a alta velocidad. Asimismo encuentra aplicación en lámparas, tubos de vacío, contactos eléctricos, tubos de rayos X y tubos fluorescentes. En la industria textil, se usa para retardar la combustión. El carburo de tungsteno (WC) sustituye al diamante en los grandes troqueles de estirado y en los barrenos para rocas debido a su extraordinaria dureza (Nordberg, Metales: propiedades químicas y toxicidad, 2010) . Compuestos de tungsteno se emplean también en láseres, colorantes, tintas y fritas cerámicas. Algunas aleaciones de tungsteno se utilizan en la industria nuclear y aeroespacial en los inyectores de los motores de los cohetes y como pantallas protectoras en las naves espaciales.
2.5. Aleaciones de los metales refractarios. 2.5.1. Molibdeno y sus aleaciones. Aleaciones a base de molibdeno se utilizan ampliamente, ya que son más baratos que las aleaciones de tungsteno superiores. La aleación más ampliamente utilizado de molibdeno TZM es la aleación de titanio-zirconiomolibdeno, compuesta de 0,5% de titanio y 0,08% de circonio. La aleación exhibe una mayor resistencia a la fluencia y la resistencia a altas temperaturas, por lo que temperaturas de trabajo por encima de 1060°C posibles para el material (Carmen Mijangos, 2010) . La alta resistencia de Mo-30W es una aleación de 70% de molibdeno y tungsteno 30 contra el ataque de zinc fundido hace que sea el material ideal para la fundición de zinc. También se utiliza para la construcción de las válvulas para el zinc fundido. El molibdeno se utiliza mercurio en contacto con el medio relés reed, porque el molibdeno no forma amalgamas y por lo tanto resistentes a la corrosión por el mercurio líquido (Nordberg, METALES: PROPIEDADES QUíMICAS Y TOXICIDAD, 2010) . El molibdeno es el más utilizado de los
metales refractarios. Su uso más importante es como una aleación de acero de refuerzo. Tubo estructural y tuberías a menudo contiene molibdeno, al igual que muchos aceros inoxidables. Su resistencia a altas temperaturas, resistencia al desgaste y bajo coeficiente de fricción son todas las propiedades que la hacen muy valiosa como un compuesto de aleación. Sus excelentes propiedades anti-fricción conducen a su incorporación en las grasas y aceites donde la fiabilidad y el rendimiento son críticos. Juntas homocinéticas Automotrices utilizan la grasa que contiene molibdeno (P. Groover., 2012) . El compuesto se adhiere fácilmente al metal y forma un revestimiento resistente a la muy duro, la fricción. La mayor parte del mineral de molibdeno del mundo se encuentra en China, los EE.UU., Chile y Canadá.
2.5.2. Niobio y sus aleaciones. El niobio se encuentra casi siempre junto con tántalio, y fue nombrado después de Niobe, la hija del mítico rey griego Tántalo para quien tántalio fue nombrado (Askeland, 2011). El niobio tiene muchos usos, algunos de los cuales se
comparte con otros metales refractarios. Es único en que se puede trabajar a través de recocido para lograr una amplia gama de resistencia y elasticidad, y es el menos denso de los metales refractarios. También se puede encontrar en los condensadores electrolíticos y en las aleaciones superconductoras más prácticos. El niobio se puede encontrar en las turbinas de gas de aviación, tubos de vacío y los reactores nucleares. Una aleación utilizada para las toberas de cohetes propulsores líquidos, tales como en el motor principal de los módulos lunares de Apolo, es C103, que consta de 89% de niobio, hafnio 10% y 1% de titanio (Schey, 2010). Otra aleación de niobio se utiliza para la boquilla del módulo de servicio de Apolo. Como niobio se oxida a temperaturas superiores a 400 º C, una capa protectora es necesario para estas aplicaciones para prevenir la aleación de llegar a ser frágil.
2.5.3. Tántalo y sus aleaciones. El tantalio es una de las sustancias más resistentes a la corrosión disponibles. Muchas aplicaciones importantes se han encontrado para tantalio debido a esta característica, en particular en los campos de la medicina y la cirugía, y también en ambientes ácidos fuertes. También se usa para hacer condensadores electrolíticos superiores. Películas de tantalio proporcionan la segunda más capacitancia por unidad de volumen de cualquier sustancia después de aerogel, y permiten la miniaturización de los componentes electrónicos y circuitos. Los teléfonos celulares y las computadoras contienen condensadores de tantalio.
2.5.4. Tungsteno y sus aleaciones. Tungsteno fue descubierto en 1781 por el químico sueco Carl Wilhelm Scheele. El tungsteno tiene el punto de fusión más alto de todos los metales, en 3410 °C. El renio se utiliza en aleaciones de tungsteno hasta 22% que mejora la resistencia a altas temperaturas y resistencia a la corrosión (Carmen Mijangos, 2010). Torio como un compuesto de aleación se utiliza cuando los arcos
eléctricos tienen que ser establecida. El encendido es más fácil y el arco se quema más estable que sin la adición de torio (P. Groover., 2012) . Para aplicaciones de metalurgia de polvos aglutinantes tienen que ser utilizados para el proceso de sinterización. Para la producción de la aleación de tungsteno pesado un aglutinante mezclas de níquel y hierro o níquel y el cobre son ampliamente utilizados. El contenido en tungsteno de la aleación es normalmente por encima de 90% (Smith, 2011) . La difusión de los elementos de encuadernación en los granos de
tungsteno es baja incluso a las temperaturas de sinterización y por lo tanto el interior de los granos es de tungsteno puro. El tungsteno y sus aleaciones se utilizan a menudo en aplicaciones donde las altas temperaturas están presentes pero sigue siendo una alta
resistencia es necesaria y la alta densidad no es problemático. Filamentos de alambre de tungsteno proporcionan la inmensa mayoría de la iluminación incandescente hogar, pero también son comunes en la iluminación industrial como electrodos en lámparas de arco. Las lámparas se vuelven más eficientes en la conversión de energía eléctrica a la luz con temperaturas más altas y por lo tanto un alto punto de fusión es esencial para la aplicación como filamento incandescente. En el equipo de soldadura por arco de tungsteno de gas utiliza un electrodo permanente, que no se derrite. El alto punto de fusión y la resistencia al desgaste contra el arco eléctrico hace de tungsteno un material adecuado para el electrodo. La alta densidad y la fuerza es también una propiedad clave para el uso de tungsteno en proyectiles de armas, por ejemplo, como una alternativa para DU penetrador de energía cinética para armas del tanque. Tungsteno de alto punto de fusión hace de tungsteno un buen material para aplicaciones como toberas de cohetes, por ejemplo en la UGM-27 Polaris (WILLkIM D. CALLISTER, 2013) .
Algunas de las aplicaciones de tungsteno no están relacionados con sus propiedades refractarias, sino simplemente a su densidad. Por ejemplo, se utiliza en los contrapesos de equilibrado para aviones y helicópteros, o de cabezas de palos de golf. En estas aplicaciones también se pueden utilizar materiales densos similares como el osmio más caro.
2.6. Propiedades de los metales refractarios. Son
refractarios
aquellos
materiales
capaces
de
soportar
elevadas
temperaturas, manteniendo sus propiedades mecánicas, y químicas sin sufrir alteración. Son en general una mezcla de arcillas y chamota. Los refractarios típicos están compuestos por diversas partículas gruesas de óxido aglutinado con un material refractario más fino (Askeland, 2011) . Las características de fusibilidad vienen por su composición y por su estructura física. En uso de construcción de hornos, estufas, incineradores, crisoles,
reactores, vidrio, en gene
2.6.1. Propiedad Física. El punto de fusión de los metales refractarios son los más altos para todos los elementos, excepto de carbono, osmio e iridio (Carmen Mijangos, 2010). Este alto punto de fusión se define la mayoría de sus aplicaciones. Todos los metales están centrados en el cuerpo cúbico salvo renio que es hexagonal compacta (James, 2010 ) . Mayoría de las propiedades físicas de los elementos de este grupo varían considerablemente, ya que son miembros de diferentes grupos. Resistencia a la fluencia es una propiedad clave de los metales refractarios. En los metales, la partida de fluencia se correlaciona con el punto de fusión del material; la fluencia en las aleaciones de aluminio comienza a 200 º C, mientras que para los metales refractarios temperaturas por encima de 1500°C (Harman, 2012). Esta resistencia a la deformación a altas temperaturas hace que los metales refractarios adecuados contra las fuerzas fuertes a alta temperatura, por ejemplo, en motores a reacción, o herramientas utilizadas durante la forja.
2.6.2. Propiedades químicas. Los metales refractarios muestran una amplia variedad de propiedades químicas, ya que son miembros de tres grupos distintos en la tabla periódica. Ellos se oxidan fácilmente, pero esta reacción se realiza en el metal en masa por la formación de capas de óxido estable sobre la superficie (Askeland, 2011) . Especialmente el óxido de renio es más volátil que el metal, y por lo tanto a alta temperatura se pierde la estabilización contra el ataque del oxígeno, ya que la capa de óxido se evapora (Solà, 2012). Todos ellos son relativamente estables frente a los ácidos.
2.6.3. Comportamiento elástico. Metales y aleaciones refractarios atraen la atención de los investigadores
debido a sus notables propiedades y utilidad práctica prometedora. Las propiedades físicas de los metales refractarios, tales como molibdeno, tántalo y tungsteno, su fuerza, y la estabilidad a alta temperatura los hacen material adecuado para aplicaciones de trabajo de los metales calientes y para la tecnología de horno de vacío. Muchas aplicaciones especiales explotar estas propiedades: por ejemplo, filamentos de las lámparas de tungsteno operan a temperaturas de hasta 3073°K, y bobinas de hornos molibdeno resisten a 2273 °K (Chavez, 2010) . Sin embargo, la mala fabricabilidad de baja temperatura y oxidabilidad extrema a altas temperaturas-son deficiencias de la mayoría de los metales refractarios (Ballester, 2012). Interacciones con el medio ambiente pueden influir de manera significativa su resistencia a la fluencia a alta temperatura. La aplicación de estos metales requiere una atmósfera protectora o revestimiento. Las aleaciones de metales refractarios de molibdeno, niobio, tántalo, tungsteno y se han aplicado a los sistemas de energía nuclear en el espacio. Estos sistemas se han diseñado para funcionar a temperaturas de 1350 °K a aproximadamente 1900 °K. Un medio ambiente no debe interactuar con el material en cuestión. Metales alcalinos líquidos como los fluidos de transferencia de calor se utilizan, así como la ultra-alto vacío (Harman, 2012) . La deformación por fluencia a alta temperatura de aleaciones debe limitarse para que sean utilizados. La deformación por fluencia no debe exceder de 1-2% (P. Groover., 2012) . Una complicación adicional en el estudio del comportamiento de fluencia de los metales refractarios es la interacción con el medio ambiente, que pueden influir de manera significativa el comportamiento de fluencia.
2.7. Aplicaciones. Metales refractarios que se utilizan en la iluminación, herramientas, lubricantes, barras de control de reacción nucleares, como catalizadores, y por sus propiedades químicas o eléctricas. Debido a su alto punto de fusión, los componentes metálicos refractarios nunca se fabrican por fundición (Schey,
2010). Se utiliza el proceso de metalurgia de polvos. Los polvos del metal puro
se compactan, calientan el uso de corriente eléctrica, y fabrican más por trabajo en frío con etapas de recocido (Askeland, 2011) . Metales refractarios se puede trabajar en alambres, lingotes, barras de refuerzo, hojas o papel de aluminio.
CAPÍTULO III P RO PI ED AD ES
M EC ÁNI CAS
Las propiedades mecánicas de los materiales nos permiten diferenciar un material de otro ya sea por su composición, estructura o comportamiento ante algún efecto físico o químico, estas propiedades son usadas en los materiales de acuerdo a algunas necesidades creadas a medida que ha pasado la historia, dependiendo de los gustos y propiamente de aquella necesidad en donde se enfoca en el material.
3.1. ¿Cómo se miden las propiedades? 3.1.1. Normas ASTM La medición de las propiedades mecánicas es un factor esencial para determinar la adaptabilidad de un material específico para función específica. Sin embargo, cuando las propiedades son medidas por diferentes investigadores en diferentes laboratorios, existe un potencial de inconsistencias en las técnicas y en los resultados. Para reducir este problema, se han establecido normas para llevar acabo los ensayos, medir los datos y reportar resultados. La ASTM International, antes conocida como la American Society for Testing and Materials (ASTM), ha publicado más de 12000 Normas para la prueba de materiales. Aunque el cumplimento de estas normas es voluntario, están proporciona una descripción detallada de los procedimientos para las pruebas que aseguran que los resultados de diferentes laboratorios sean diferentemente comparables. Las normas ASTM inician con un comentario acerca de su campo, seguidas por una lista de documentos referidos. Definen la terminología y resumen los métodos de ensayo incluyendo su significado, uso de interferencias. La mayoría incluyen una descripción detallada de aparatos de ensayo de ilustraciones.
También
proporcionan
las
instrucciones
para
preparar
especímenes de prueba, la calibración del equipo y el acondicionamiento del ambiente. Asimismo, se proporciona los procedimientos experimentales detallados y las instrucciones para realizar cálculos.
Normas ASTM más representativas para los métodos de ensayo descritos. Tipo de ensayo Comprensión de metales Dureza Brinell Dureza Rockwell
Normas ASTM correspondiente E209 E10 E18
Tabla 2.- Normas ASTM de durezas
3.2. Fracturas mecánicas. Todas las fallas de los materiales resultan de la formación y propagación de una grieta, pero diferentes tipos de materiales responden a la formación de grietas de forma muy diferente. Los materiales dúctiles experimentan una deformación plástica sustancial en el área de la grieta .El crecimiento de la grieta es lento, y en unos casos, la grieta se estabiliza y no crecerá a menos que se aplique una tensión incrementada. Las grietas en las aceras o en las paredes de las casas estables. Los materiales dúctiles fallan ya sea en modo de copa y cono como las que se muestran, en donde una pieza tiene el centro plano con un borde extendido como una copa mientras que la otra tiene una punta cónica, o en una fractura cortada causada por una fuerza cortante lateral. Los materiales frágiles se comportan de otra forma. No pueden pasar por la deformación plástica necesaria para estabilizar la grieta sin fallar. Como resultado, las pequeñas grietas se propagan instantáneamente muy parecido a una pequeña grieta en el parabrisas de un automóvil que pueden creer y resultar en la falla total del parabrisas. Los materiales frágiles forman una superficie fracturada de exfoliación más simple como el estudio del crecimiento de una grieta que lleva a una falla de material que se llama fracturas mecánicas. La clave de todas las fracturas mecánicas es la presencia de una grieta u otro defecto de escala atómica como un poro. El desarrollo de la ecuación d fz
σ = F/A0
se predice asumiendo que el esfuerzo se distribuye
equitativamente a través del área transversal de la muestra, pero la presencia de las grietas hacen esta que la suposición sea invalida. Las grietas, cavidades y otras imperfecciones sirven como elevadores del esfuerzo que causan incrementos altamente localizados en la deformación. Por lo tanto, el esfuerzo tradicional antes comentado se define más fz (σ =) y áx ó q
concentra en la punta de la grieta fz áx (σ =áx) Un factor concentración de esfuerzo (k) se puede definir como porción del esfuerzo máximo del esfuerzo aplicado.
Si se hace una gráfica del esfuerzo contra la distancia de la imperfección, como la que se muestra, el esfuerzo que se
siente en la
imperfección es el esfuerzo nominal multiplicando por el factor de concentración del esfuerzo. La magnitud del factor de concentración del esfuerzo depende de la geometría de la imperfección. Al inicio de 1913, los argumentos geométricos básicos mostraban que para defecto elíptico, el factor de concentración de esfuerzo relacionado a la proporción de la longitud (a) de la elipse al ancho (b) por la ecuación,
Un perfecto defecto circular tendría a = b y el factor de concentración del esfuerzo seria 3, indicando que el defecto resulto en un triple incremento en el esfuerzo aplicado en el área local. Cuando el defecto se vuelve menos circular y más alargado, el factor de concentración del esfuerzo se incrementa significativamente.
Para una grieta delgada en donde a>>b, la ecuación indica la deformación en la punta de la grieta se acerca al infinito. Como tal, el factor de concentración del esfuerzo deja de tener significado y se debe emplear un nuevo parámetro, el factor de intensidad del esfuerzo (k), Para una grieta simple, en donde F es factor geométrico sin dimensión.
La cuestión critica que determina si el material se fracturara como resultado de su esfuerzo aplicado es si la intensidad del esfuerzo en la punta de la grieta sobrepasara un umbral crítico. Cuando K sobrepasa este factor de intensidad de esfuerzo crítico, llamado tenacidad de fractura (Kc), la grieta se puede propagar. La tensión real que se necesita para la propagación de la (σc) para un material frágil se define como:
En donde E es el módulo de elasticidad del material,
Ys es
la energía
especifica de la superficie de la grieta. La tenacidad a la fractura se relaciona a la tensión real necesaria para propagar la grieta mediante la siguiente ecuación.
Debido a que la tenacidad a la fractura es una función del ancho del material, no se puede tabular directamente. A determinado ancho, la influencia del ancho de tenacidad a la fractura del material por encima de este grosor crítico se le llama tenacidad a la fractura de deformación plana (K IC), la cual es proporcionada por diferentes materiales. El parámetro más importante para determinar el esfuerzo necesario para la propagación de la grieta es el tamaño de la imperfección. Como resultado, en el proceso de fabricación se tiene mucho cuidado para reducir el tamaño de la imperfección. Las impurezas generalmente se filtran de los metales líquidos, los polímeros derretidos se pasan a través de filtros cernidores antes de darles
forma, y se utilizan las técnicas complejas de compresión de polvo para reducir el tamaño de la imperfección y mejorar la dureza de materiales cerámicos. A pesar del Tamaño de la imperfección es el parámetro más importante, muchos otros factores impactan la concentración del esfuerzo, incluyendo la ductilidad, la temperatura y el tamaño del grano. El área alrededor de la punta de la grieta en los materiales dúctiles puede pasar por deformación plástica de liberar parte de la intensificación de la tensión. Como resultado, los polímeros y cerámicos frágiles tienen menos tenacidad que los metales una transición entre el comportamiento dúctil y frágil. La mayoría de los polímeros pasan por una transición distinta entre frágiles, los materiales vítreos con poca tenacidad y más suaves y materiales con más caucho con tenacidad mucho más alta. Los metales con estructura cúbica de caras centrales (FCC) generalmente no pasan una transición dúctil a frágil, pero los metales cúbicos de cuerpo centrado (BCC) si lo hacen. Los tamaños del grano pequeños también aumentan la tenacidad. El comportamiento de la grieta ante la presencia de la tensión también depende de la dirección del esfuerzo relativo a la grieta. Las tensiones de apertura actúan perpendicularmente a la dirección de la grieta como muestra hacia la tensión de apertura separa las puntas de la grieta provoca que esta se abra más. Una tensión de apertura separa las puntas de la grieta y provoca que esta abra más. Una tensión de apertura aplicada a la dirección opuesta puede juntar la grieta sin que resulte una propagación. Los cortes dentro del plano involucran la aplicación de la tensión paralela a la grieta. La porción superior de la grieta se empuja hacia la dirección contraria. El esfuerzo de corte propaga la grieta al separar la parte superior de la inferior, pero las dos de las mitades abandonan su plano original. El corte fuera del plano resultado cuando la tensión perpendicular a la grieta jala las mitades superior e inferior de la grieta en direcciones opuestas.
3.3. Mecánica de materiales. La
mecánica
de
materiales
estudia
las
deformaciones unitarias
y
desplazamiento de estructuras y sus componentes debido a las cargas que actúan sobre ellas, (Askeland, 2011) así entonces nos basaremos en dicha materia para saber de qué se trata cada uno de estos efectos físicos, aplicados en diferentes estructuras, formas y materiales.
3.4. Dureza. Se llama dureza al grado de resistencia al rayado que ofrece un material. La dureza es una condición de la superficie del material y no representa ninguna propiedad fundamental de la materia. Se evalúa convencionalmente por dos procedimientos. El más usado en metales es la resistencia a la penetración de una herramienta de determinada geometría (WILLkIM D. CALLISTER, 2013) . El ensayo de dureza es simple, de alto rendimiento ya que no destruye la muestra y particularmente útil para evaluar propiedades de los diferentes componentes microestructurales del material. Los métodos que más se utilizan en la actualidad son tres: a) Prueba de penetración: La prueba de penetración es la más utilizada hoy en día, básicamente todas las pruebas de dureza realizada a los metales es por este método, la prueba consiste en penetrar la probeta por medio de penetradores estándar y bajo la acción de una carga conocida (Smith, 2011) . b) Prueba de rebote: Para esta prueba, la dureza se determina de acuerdo a la altura que alcanza una bola de acero endurecida después de ser lanzada desde una cierta altura y rebotar sobre la probeta que se analiza. En este caso lo que se analiza es la capacidad de absorber energía por el material a la hora de ser impactado (P. Groover., 2012) . c) Prueba de rayado: En este caso la dureza del material, es determinada
de acuerdo a una comparación realizada en base a una serie de materiales estándar, que van desde polvos o talcos, considerados como los materiales más suaves, hasta el diamante considerado el más duro (P. Groover., 2012) .
3.4.1. Dureza Vickers (HV) Este método es muy difundido ya que permite medir dureza en prácticamente todos los materiales metálicos independientemente del estado en que se encuentren y de su espesor. El procedimiento emplea un penetrador de diamante en forma de pirámide de base cuadrada. Tal penetrador es aplicado perpendicularmente a la superficie cuya dureza se desea medir, bajo la acción de una carga P. Esta carga es mantenida durante un cierto tiempo, después del cual es retirada y medida la diagonal de la impresión que quedó sobre la superficie de la muestra (Smith, 2011). Con este valor y utilizando tablas apropiadas se puede obtener la dureza
Vickers, que es caracterizada por HV y definida como la relación entre la carga aplicada (expresada en Kgf) y el área de la superficie lateral de la impresión (Smith, 2011) .
3.4.2. Dureza Rockwell (HR) La medición de dureza por el método Rockwell ganó amplia aceptación en razón de la facilidad de realización y el pequeño tamaño de la impresión producida durante el ensayo. El método se basa en la medición de la profundidad de penetración de una determinada herramienta bajo la acción de una carga prefijada. El número de dureza Rockwell (HR) se mide en unidades convencionales y es igual al tamaño de la penetración sobre cargas determinadas (Askeland, 2011). El método puede utilizar diferentes penetradores siendo éstos esferas de acero templado de diferentes diámetros o conos de diamante.
3.4.3. Dureza Brinell (HB ) Este ensayo se utiliza en materiales blandos (de baja dureza) y muestras delgadas. El indentador o penetrador usado es una bola de acero templado de diferentes diámetros. Para los materiales más duros se usan bolas de carburo de tungsteno. En el ensayo típico se suele utilizar una bola de acero de 10 a 12
milímetros de diámetro, con una fuerza de 3.000 kilogramos fuerza. El valor medido es el diámetro del casquete en la superficie del material. Las medidas de dureza Brinell son muy sensibles al estado de preparación de la superficie, pero a cambio resulta en un proceso barato, y la desventaja del tamaño de su huella se convierte en una ventaja para la medición de materiales heterogéneos, como la fundición (WILLkIM D. CALLISTER, 2013) , siendo el método recomendado para hacer mediciones de dureza de las fundiciones.
Los materiales duros corroen a los materiales más débiles y duran más. A pesar que existen docenas de técnicas para medir la dureza, la más común es el ensayo Brinell, en donde una esfera de carburo de tungsteno de 10mm de diámetro es presionada hacia la superficie del material de ensayo utilizando una fuerza controlada (P. Groover., 2012) . La dureza Brinell (HB) se determina por la fórmula:
En donde F es la carga aplicada en kilogramos, D es el diámetro de la esfera (10mm) y D1 es diámetro de la impresión que dejo la esfera en el material de ensayo en milímetros. Los materiales más duros tienen valores HB más altos. La dureza Brinell para los metales se encuentra en un rango alrededor de 50 a 750. El valor se reporta como el número de dureza seguido de tres letras (HBW), de tal forma que la dureza seguida de 300 se reportaría como 300 HBW. La W indica que se utilizaron esferas de tungsteno. Originalmente se alisan cuando la dureza Brinell pero ya no se consideran aceptables debido a que se acercan a 400. El ensayo Brinell es rápido, fácil, confiablemente exacto y por mucho el más utilizando. También no es destructivo ya que el material no se rompe durante el ensayo.
3.4.4. Dureza Knoop (HK) Es una prueba de microdureza, un examen realizado para determinar la dureza mecánica especialmente de materiales muy quebradizos o láminas finas, donde solo se pueden hacer hendiduras pequeñas para realizar la prueba. El test consiste en presionar en un punto con un diamante piramidal sobre la superficie pulida del material a probar con una fuerza conocida, para un tiempo de empuje determinado, y la hendidura resultante se mide usando un microscopio (P. Groover., 2012) .
3.5. Tensión. El ensayo de tensión es el más común
para determinar propiedades
mecánicas de los materiales, como resistencia, ductilidad, tenacidad, módulos elásticos y capacidad de endurecimiento por deformación. Primero, requiere la preparación de un espécimen de prueba. En Estados Unidos el espécimen se prepara de acuerdo con las especificaciones de la ASTM. En caso contrario, se le dispone según los criterios de la organización correspondiente en otros países. Aunque la mayoría de los especímenes de ensayo de tensión son sólidos y redondos, también pueden ser planos o tubulares. Típicamente, el espécimen tiene la longitud original calibrada (Io) en general de 50mm (2 pulgadas), y una sección transversal (Ao) por lo común con un diámetro de 12.5mm (0.5pulgadas). El espécimen se monta entre las mordazas de una máquina de ensayo de tensión. Estas máquinas equipadas con diversos accesorios y controles para probar el espécimen a diferentes temperaturas y velocidades de deformación.
3.6. Compresión. Estudia el comportamiento de un material sometido a un esfuerzo de compresión progresivamente creciente hasta llegar a la rotura o aplastamiento según sea la clase de materia, se efectúa. El ensayo de compresión se realiza en la mayor parte a materiales frágiles, dada su reducida capacidad de resistir
a la tracción (Smith, 2011) . La resistencia de un material depende de su capacidad para soportar una carga sin deformación excesiva falla. Entre las pruebas más importantes está la de compresión en la cual se pueden determinar muchas propiedades mecánicas importantes de un material, se utilizan principalmente para determinar la relación entre el esfuerzo normal promedio y la deformación normal unitaria en muchos materiales utilizados en ingeniería, sean de metal, cerámica, polímeros o compuestos, para llevar a cabo esta prueba se prepara un espécimen o probeta de forma o tamaño estándar y se le aplica la fuerza compresiva (Askeland, 2011). Muchas operaciones de manufactura, particularmente procesos como forjado, laminado y extrusión (parte III), se realiza de trabajo sujeta a fuerzas compresivas. La prueba compresión en la que el espécimen se somete a carga de compresión, proporciona información útil para estimar fuerzas y requisitos de potencia en estos procesos, Es común que esta prueba se realice comprimiendo un espécimen sólido cilíndrico entre dos matrices planas (platinas) bien lubricadas. Debido a la fricción espécimen y las platinas, la superficie cilíndrica del espécimen se abomba; a este efecto se llama abarrilamiento. La fricción evita que las superficies superior inferior expandan con libertad. Nótese que los especímenes esbeltos se pueden pandear durante la prueba; por eso, típicamente, la proporción altura diámetro del espécimen sólido cilíndrico debe ser menor a 3:1. Debido a que el área de la sección transversal de espécimen ahora cambia a lo largo de su altura (siendo máxima en el centro), podría ser difícil obtener curvas esfuerzo-deformación en comprensión. Además, la fricción disipa energía, por lo que la fuerza comprensiva es mayor de lo que sería al proporcionar el trabajo requerido para superar la fricción. Con lubricación efectiva, se puede minimizar la fricción y mantener un área de sección transversal razonablemente constante durante la prueba. Si se compara los resultados de las pruebas de tensión y de comprensión de metales dúctiles, se advertirá que las curvas esfuerzodeformación reales coinciden en las pruebas. Esta comparación no es válida
para los materiales frágiles, que generalmente son más fuertes y dúctiles compresión de tensión. Cuando un metal con cierto esfuerzo tensil de influencia se somete a tensión dentro del rango plástico y después se libera la carga y se aplica en comprensión, se verá que el esfuerzo de influencia a comprensión es menor que el de tensión. A este fenómeno se le conoce como efecto Bauschinger (llamado así en honor de J. Bauschinger, quien informó de el en 1881) y aparece en grados variables en todos los metales y aleaciones. Debido al esfuerzo de influencia reducido en la dirección opuesta a la aplicación original de la carga, a este fenómeno también se le llama reblandecimiento por deformación o reblandecimiento por trabajo.
3.7. Torsión. Una pieza de trabajo se puede someter no sólo a tensión y a comprensión, sino también a deformaciones cortantes como en el troquelado de agujeros en láminas metálicas de corte de metales. El método de prueba que suele utilizarse para determinar las propiedades de los materiales a corte de ensayo de torsión. Obtener una distribución uniforme del esfuerzo y de la deformación a lo largo de la sección transversal requiere que esta prueba se realice en un espécimen tubular. Generalmente, el espécimen de torsión tiene una sección transversal reducida para confirmar la deformación a una zona angosta. El esfuerzo al corte se puede calcular a partir de una fórmula: Efz φ =Τ π/2
Donde T es el torque, r el radio promedio del tubo y t el espesor del tubo en su sección reducida. La deformación al corte se puede calcular a partir la formula: Dfó Y = θ/I
D b ó y θ á ó
radianes. A la relación del esfuerzo cortante con respecto a la deformación cortante en el rango elástico conoce como el módulo de rigidez en cortante en ó E) E á ó (θ) f
torsión de barras redondas sólidas a temperaturas elevadas también es útil para estimar la forjabilidad de los metales. Cuanto mayor sea el número de rotaciones antes de la falla, mejor será la forjabilidad.
3.8. Propiedades químicas del tungsteno Elemento químico de símbolo W, de número atómico 74 y peso atómico 183.85. Este metal tiene una estructura cúbica centrada en el cuerpo y brillo metálico gris plateado. Su punto de fusión de 3410ºC (6170ºF) es el más alto de los metales. El metal exhibe una baja presión de vapor, alta densidad y gran fuerza a temperaturas elevadas en ausencia de aire, y es extremadamente duro. Desde el punto de vista químico, el tungsteno es relativamente inerte. No lo atacan con facilidad los ácidos comunes, los álcalis o el agua regia. Reacciona con una mezcla de ácidos nítrico y fluorhídrico. Las sales oxidantes fundidas, como el nitrito de sodio, lo atacan fácilmente. El cloro, el bromo, el yodo, el dióxido de carbono, el monóxido de carbono y los azufres gaseosos reaccionan con tungsteno sólo a altas temperaturas. El carbono, el boro, el silicio y el nitrógeno también forman compuestos con él a temperaturas elevadas; con hidrógeno no reacciona.
Nombre Número atómico Valencia Estado de oxidación Electronegatividad Radio covalente (Å) Radio iónico (Å) Radio atómico (Å) Configuración electrónica Primer potencialde ionización (eV) Masa atómica (g/mol) Densidad (g/ml) Punto de ebullición (ºC) Punto de fusión (ºC) Descubridores
Tungsteno 74 2,3,4,5,6 +4 1,7 1,46 0,64 1,39 14 [Xe]4f 5d46s2 8,03 183,85 19,3 5930 3410 Fausto y Juan José de Elhuyar en 1783
Tabla 3.- Propiedades químicas del tungsteno
3.8.1. Efectos del Tungsteno sobre la salud Se ha demostrado que el tungsteno actúa antagonizando la acción del elemento traza esencial molibdeno. Se ha demostrado en diversos estudios que el polvo del metal tungsteno administrado a animales no es del todo inerte. Un estudio encontró que los conejillos de indias tratados oralmente o intravenosamente con tungsteno sufrieron de anorexia, cólicos, incoordinación de movimientos, temblores, diseña y pérdida de peso. Larga experiencia industrial ha indicado que no se desarrolla neumoconiosis en los trabajadores expuestos únicamente al tungsteno o a sus compuestos solubles (a concentraciones en el aire de mg/m 3). Efectos agudos sobre la salud: Irritación de la piel y los ojos al contacto. La inhalación causará irritación de los pulmones y de la membrana mucosa. La irritación de los ojos provocará lagrimeo y enrojecimiento. Enrojecimiento, formación de costras y picores son las características de la inflamación cutánea. Se deben seguir las normas de higiene industrial y usar siempre
equipo de protección cuando se maneje este compuesto. Efectos crónicos sobre la salud: Este producto no tiene efectos crónicos. Se sabe que la exposición repetida o prolongada a este compuesto agrava las afecciones médicas.Todos los compuestos del volframio están considerados como altamente tóxicos. El polvo del metal presenta un peligro de incendio y explosión.
3.9. Propiedades químicas del Niobio Símbolo Nb, número atómico 41 y peso atómico 92.906. En Estados Unidos este elemento se llamó originalmente columbio. La industria metalúrgica y los metalurgistas aún utilizan este nombre antiguo.La mayor parte del niobio se usa en aceros inoxidables especiales, en aleaciones de alta temperatura y en aleaciones superconductoras como Nb 3Sn. El niobio también se utiliza en pilas nucleares. Es muy inerte a todos los ácidos, menos el fluorhídrico, supuestamente por tener una película de óxido sobre la superficie. El niobio metálico se oxida lentamente en solución alcalina. Reacciona con el oxígeno y los halógenos en caliente para formar los halogenuros y el óxido en estado de oxidación V, con nitrógeno para formar NbN y con carbono para formar NbC, así como con otros elementos como arsénico, antimonio, teluro y selenio. El óxido Nb2O5, que se funde a 1520º (2768ºF), se disuelve en álcali fundido para formar un niobato complejo soluble, Nb6O198-. Los niobatos normales, entre ellos el NbO43-, son insolubles. El óxido se disuelve en ácido fluorhídrico para producir especies iónicas como NbOF52- y NbOF63-, según la concentración de los iones fluoruro e hidrógeno. El complejo fluorado mayor que puede existir en solución es NbF 6-.
Nombre Número atómico Valencia Estado de oxidación Electronegatividad Radio covalente (Å) Radio iónico (Å) Radio atómico (Å) Configuración electrónica Primer potencial de ionización (eV) Masa atómica (g/mol) Densidad (g/ml) Punto de ebullición (ºC) Punto de fusión (ºC) Descubridor
Niobio 41 2,3,4,5 +5 1,6 1,37 0,70 1,46 [Kr]4d45s1 6,81 92,906 8,4 3300 2468 Charles Hatchett 1801
Tabla 4.- Propiedades químicas del Niobio
3.9.1. Efectos del Niobio sobre la salud El niobio, cuando es inhalado, es retenido principalmente en los pulmones, y secundariamente en los huesos. Interfiere con el calcio como activador del sistema enzimático. En los animales de laboratorio, la inhalación de nitruro o pentóxido de niobio resulta en cicatrizaciones de los pulmones a niveles de exposición superiores a los 40 mg/m 3.
3.10. Propiedades químicas del Molibdeno Elemento químico, símbolo Mo, con número atómico 42 y peso atómico 95.94; es uno de los elementos de transición. Metal gris plateado con una densidad de 10.2 g/cm3 (5907 oz/in3), se funde a 2610ºC (4730ºF).El molibdeno se encuentra en muchas partes del mundo, pero pocos depósitos son lo suficientemente ricos para garantizar la recuperación de los costos. La mayor parte del molibdeno proviene de minas donde su recuperación es el objetivo primario de la operación. El restante se obtiene como un subproducto de ciertas operaciones del beneficio del cobre.
El molibdeno forma compuestos en los cuales presenta estados de oxidación, 0, 2+, 3+, 4+, 5+, 6+. No se ha observado como catión ionizable, pero se conocen especies catiónicas como el molibdenilo. La química del molibdeno es extremadamente compleja y, con excepción de los halogenuros y calcogenuros, son muy pocos los compuestos simples conocidos. El dióxido y el trióxido de molibdeno son los óxidos más comunes y estables; otros óxidos descritos son metaestables y, en lo esencial, son especies de laboratorio.El ácido molíbdico, H2MoO4 (o MoO3.H2O), forma una serie estable de sales normales, del tipo M22+MoO4, M2+MoO4 y M23+(MoO4)3. Se pueden formar molibdatos poliméricos o isopolimolibdatos por la acidificación de una solución de molibdato o, en algunos casos, al calentar los molibdatos normales. El peróxido de hidrógeno reacciona con varios molibdatos para formar una serie de compuestos peroxianiónicos. Otro grupo de compuestos del molibdeno son los heteropolielectrólitos, con mucho una familia fundamental de sales y ácidos libres: cada miembro contiene un anión complejo y de alto peso molecular. El molibdeno también forma halogenuros y oxihalogenuros, que representan un intervalo amplio en estabilidad y una serie de compuestos homólogos con S, Se y Te, semejantes a los óxidos.
Nombre Número atómico Valencia Estado de oxidación Electronegatividad Radio covalente (Å) Radio iónico (Å) Radio atómico (Å) Configuración electrónica Primer potencial de ionización (eV) Masa atómica (g/mol) Densidad (g/ml) Punto de ebullición (ºC) Punto de fusión (ºC) Descubridor
Molibdeno
42 2,3,4,5,6 +6 1,8 1,45 0,62 1,39 [Kr]4d 5s 7,24 95,94 10,2 5560 2610 Carl Wilhelm Scheele en 1778
Tabla 5.- Propiedades químicas del Molibdeno
3.10.1. Efectos del Molibdeno sobre la salud Basado en experimentación animal, el molibdeno y sus compuestos son altamente tóxicos. Se ha informado de alguna evidencia de disfunción hepática con hiperbilirubinemia en trabajadores crónicamente expuestos a una planta soviética de molibdeno y cobre. Además, se han encontrado signos de gota en trabajadores de fábricas y entre los habitantes de zonas de Armenia ricas en molibdeno. Las características principales fueron dolores de la articulación de las rodillas, manos, pies, deformidades en las articulaciones, eritemas, y edema de las zonas de articulación.
3.11. Propiedades químicas del Tantalio Elemento químico cuyo símbolo es Ta, su número atómico es 73 y su peso atómico 180.948. Es un elemento del quinto grupo de la tabla periódica y pertenece a la serie de los de transición 5 d . Se le conocen también estados de oxidación de IV, III y II. El metal tantalio se emplea en la fabricación de capacitores para equipo electrónico, los cuales incluyen radios de banda civil, detectores de humo, marcapasos cardiacos y automóviles. Se utiliza también en las superficies para
transferencia de calor del equipo de producción en la industria química, en especial cuando se tienen condiciones extraordinarias corrosivas. Su inercia química ha hecho que se le hayan encontrado aplicaciones dentales y quirúrgicas. El tantalio forma aleaciones con un gran número de metales. Tiene una importancia especial el ferrotantalio, el cual se agrega a los aceros austeníticos con el fin de reducir la corrosión intergranular. El metal es bastante inerte al ataque con ácidos, excepto al ácido fluorhídrico. Se oxida con mucha lentitud en soluciones alcalinas. Los halógenos (halogenuros) y el oxígeno reaccionan con él en caliente, para formar haluros y óxido correspondientes, con estado de oxidación V. A temperatura elevada absorbe hidrógeno y se combina con el nitrógeno, el fósforo, el arsénico, el antimonio, el silicio, el carbono y el boro. El tantalio forma también compuestos por reacción directa con el azufre, el selenio y el telurio, a temperaturas elevadas. Nombre Número atómico Valencia Estado de oxidación Electronegatividad Radio covalente (Å) Radio iónico (Å) Radio atómico (Å) Configuración electrónica Primer potencial de ionización (eV) Masa atómica (g/mol) Densidad (g/ml) Punto de ebullición (ºC) Punto de fusión (ºC) Descubridor
Tantalio
73 2,3,4,5 +5 1,5 1,38 0,73 1,46 [Xe]4f 5d 6s 6,02 180,948 16,61 5425 2996 Anders Ekeberg en 1802
Tabla 6.- Propiedades químicas del Tantalio
3.11.1. Efectos del Tantalio sobre la salud Puede ser dañino por inhalación, ingestión o absorción cutánea. Provoca irritación de los ojos y la piel. El material es irritante de las membranas mucosas y el tracto respiratorio superior.No se han documentado efectos
