Zinc y Sus Aleaciones

ELIA VILLAVICENCIO CRESPO

ZINC Y SUS ALEACIONES ING. EDGARDO JUAN TABUCHI MATSUMO

ZINC Y SUS ALEACIONES GENERALIDADES El cinc es un metal usado por el ser humano desde la prehistoria. Hoy, es el cuarto metal ms usado en el mundo y su producci!n alcan"! ms de #,$ millones de toneladas en %&&#. Los mayores productores de cinc son la Uni!n Europa, China, Canad, y 'ap!n, mientras (ue Espa)a es el productor ms importante de Europa, con una producci!n de *+--- toneladas en %&&#. El cinc es un elemento utili"ado para una multitud de aplicaciones, cada una ms til (ue la otra, para nuestra /ida cotidiana. Los usos ms importantes de este metal son la 0al/ani"aci!n de acero, la 1a2ricaci!n de pie"as de lat!n, de pie"as 1undidas, y la acumulaci!n de ener03a. 4or otro lado, los compuestos de cinc se usan para 1a2ricar componentes electr!nicos y in0redientes para productos de cosm5tica. El cinc es uno de los metales ms reciclados. El reciclado del cinc representa cerca del - 6 de su consumo mundial. La proporci!n de cinc recuperado, a partir de pol/os de hornos el5ctricos 7EA89:, est creciendo rpidamente.

HISTORIA La pala2ra ;cinc; /iene del alemn anti0uo ;Zin<;, de oscuro origen. =uchos si0los antes (ue el cinc 1uera identi>cado como elemento distinto, los minerales de cinc se usa2an ya para producir lat!n. Una aleaci!n (ue contiene el ?# 6 de cinc 1ue descu2ierta en un sitio prehist!rico, en @ransil/ania. En el si0lo tercero A. C. 7Antes de Cristo:, los 2a2ilonios produeron ya aleaciones de cinc. En China, el cinc era utili"ado para 1a2ricar monedas y espeos, alrededor del si0lo seBto. Los 0rie0os y los romanos utili"aron intensi/amente el cinc para producir lat!n. Al parecer, los metalr0icos hindes aislaron el cinc metal en el si0lo tercero. En Europa, el cinc se /ol/i! a descu2rir como elemento en %#+, por el (u3mico =ar00ra1. Sin em2ar0o, su producci!n industrial empe"! en %#*?, cuando el in0l5s illiam Champion construy! una pe(ue)a 12rica cerca de Dristol 7In0laterra:. En %?#%, cerca de +---- toneladas de cinc se produc3an ya cada a)o. Hoy en d3a, ms de siete millones de toneladas de cinc se consumen al a)o.

El Zinc: El cinc metlico es un material 2lanco a"ulado (ue tiene muchas aplicaciones industriales. El cinc es uno de los elementos de transici!n del sistema peri!dico su nmero at!mico es *-. Cristali"a en el sistema heBa0onal. Es eBtremadamente 1r0il a temperaturas ordinarias, pero se /uel/e malea2le entre los %F- y los %$- GC, y se lamina 1cilmente al pasarlo entre rodillos calientes. Ocupa el lu0ar F en a2undancia entre los elementos de la corte"a terrestre. No eBiste li2re en la naturale"a, sino (ue se encuentra como !Bido de cinc 7ZnO: en el mineral cincita y como UN=S= ELIA IILLAICENCIO CES4O

40ina %

silicato

de

ZINC Y SUS ALEACIONES PROPIEDADES +$.*& 0Kmol P!" A#$%ic": Dn!i&'&: #.%0Kcc T%()'#*)' & +*!i$n %&.$ GC C"n&*c#i,i&'& #-)%ic': T%()'#*)' & &-# GC *llici$n HeBa0onal compacta E!#)*c#*)' C)i!#'lin'

cinc

7FZnOSiOFHFO: en la hemimor>ta. @am2i5n se encuentra como car2onato de cinc 7ZnCO*: en el mineral esmitsonita, como !Bido miBto de hierro y cinc 7Zn78eOF:OF: en la 1ran
BENEFICIO Y EXPLOTACIÓN Los principales minerales de cinc son la 2lenda 7ZnS:, la smithsonita 7car2onato de cinc, ZnCO*:, y la calamina 7silicato de cinc:. El cinc se puede o2tener por tostaci!n de sus minerales, produciendo el !Bido 7el calcinado:, y por la su2si0uiente reducci!n del dicho !Bido con car2!n o hulla. Otro m5todo consiste en tostar los concentrados de cinc para o2tener el !Bido, el cual es liBi/iado con cido sul1rico. El cinc o2tenido por destilaci!n contiene pe(ue)as cantidades de hierro, ars5nico, cadmio y plomo, y es conocido en metalur0ia como peltre. Las impure"as insolu2les 7tal como 42, 8e y A0: se eBtraen por >ltraci!n. Las impure"as solu2les tal como el co2re se precipitan y el cinc metal se recupera de la soluci!n por electrodeposici!n. Al >nal, el cinc de los ctodos se 1unde para producir lin0otes, aleaciones o pol/os, etc. El cinc electrol3tico es puro y tiene cualidades superiores como, por eemplo, una mayor resistencia a la corrosi!n. Hay tam2i5n otros m5todos para eBtraer el cinc, incluyendo alternati/as para reducir las emisiones de SOF.

ALEACIONES Las aleaciones ms empleadas son las de aluminio 7*,$J,$6, Zama< %%J%*6, ZnJAlJCuJ=0 FF6, 4restal, aleaci!n (ue presenta superplasticidad: UN=S= ELIA IILLAICENCIO CES4O

40ina F

ZINC Y SUS ALEACIONES y co2re 7alrededor del %6: (ue meoran las caracter3sticas mecnicas del cinc y su aptitud al moldeo. Es componente minoritario en aleaciones di/ersas, principalmente de co2re como latones 7* a $6 de cinc:, alpacas 7CuJNiJZn: y 2ronces 7CuJSn: de moldeo.

Al'ci"n! & cinc (')' +*n&ici$n ' ()!i$n Las aleaciones de cinc industrialmente usadas para coladas 2ao presi!n son llamadas "amacM. Son aleaciones de cinc con aluminio, co2re y ma0nesio. 9e todas las aleaciones no 1errosas para colar a presi!n, las aleaciones de cinc son las (ue poseen meor rea de aplicaci!n, de2ido a sus particulares propiedades 13sicas, mecnicas y de 1undido, adems tiene una 0ran capacidad para ser re/estidas mediante electrodeposici!n o con pinturas. Sus 2aos puntos de 1usi!n 7aproBimadamente *?$GC: con>eren al molde lar0a /ida., permitiendo la producci!n de 0randes series de pie"as 1undidas. La 0ran uide" de esas aleaciones 1acilita la o2tenci!n de pie"as de complea 1orma y paredes >nas. @am2i5n rueden ser usadas para 1undici!n por 0ra/edad en moldes >os. Composición química En las aleaciones tipo "amac, el metal 2ase es el "inc, con porcentaes de aluminio (ue /an desde *.$6 hasta + 6, co2re 7-.#$6 J %.+6:, ma0nesio 7-.-6 J -.-+$:, con tra"as de elementos mBimas permitidas de hierro -.%6, plomo -.--$6, esta)o -.--*, cadmio -.--6. El 1actor determinante en la 0ran esta2ilidad en las propiedades mecnicas y dimensionales de las pie"as coladas a presi!n de aleaciones de cinc, es la pure"a de los componentes de la aleaci!n. El cinc utili"ado en la preparaci!n de estas aleaciones es del tipo special hi0h 0radeM Jclasi>caci!n se0n la AS@=J con una pure"a m3nima del &&.&&6. Los elementos de aleaci!n presentan los si0uientes e1ectos. Aluminio Es el elemento adicionado en mayor proporci!n. Aumenta sensi2lemente la dure"a y resistencia de la aleaci!n, as3 como su uide", permitiendo la o2tenci!n de pie"as 1undidas de 1ormas complicadas. Otra /entaa de la adici!n de este elemento es la disminuci!n de los e1ectos corrosi/os del "inc li(uido so2re el acero de la m(uina y las herramientas de inyecci!n. Si el porcentae del aluminio es superior al .$6, la aleaci!n se aproBima a su eut5ctico 7$6 de aluminio: reduci5ndose su resistencia al impacto. En esas UN=S= ELIA IILLAICENCIO CES4O

40ina *

ZINC Y SUS ALEACIONES condiciones la aleaci!n es 1r0il, pudiendo a0rietarse durante las operaciones de endurecimiento o con1ormaci!n. 4or otro lado, para porcentaes in1eriores al *.$ 6, la aleaci!n pierde resistencia y dure"a, descendiendo tam2i5n su 1undi2ilidad, lo (ue hace di13cil la o2tenci!n de pie"as complicadas y del0adas. Magnesio A pesar de encontrarse en porcentaes relati/amente pe(ue)os, este metal tiene 0ran inuencia en las propiedades del "inc para colar 2ao presi!n. Siendo el ma0nesio ms electrone0ati/o (ue el "inc, inhi2e la corrosi!n inter0ranular de la aleaci!n. Y asocindose con el eut5ctico del plomo, cadmio y esta)o en los contornos de 0rano, reduce la di1erencia de potencial entre el "inc y el eut5ctico. Es aconsea2le mantener la composici!n del ma0nesio por de2ao de -.-+6 pues este metal tiende a pro/ocar 1ra0ilidad en caliente en las pie"as 1undidas. Cobre La adici!n del co2re aumenta la resistencia la corrosi!n, la resistencia mecnica y la dure"a de la aleaci!n. Sin em2ar0o la presencia del co2re por encima del %.F$6 /uel/e inesta2le la aleaci!n, al hacerla /ulnera2le al en/eecimiento, reduciendo nota2lemente su resistencia al impacto. 4orcentaes por encima del -.+6 pro/ocan desde ya el 1en!meno de precipitaci!n, el cual a1ecta la esta2ilidad dimensional de la pie"a.

ALEACIONES DE COBRE/ZINC • • • •

Latones 7CuJZn:. Alpacas 7CuJZnJNi:. Latones especiales. 7CuJZn  Sn K Al K 8e K =n K Ni K Si K 42:.

LA@ONES • •

•

•

Los latones son aleaciones a 2ase de co2re y "inc 7CuJZn:. El inter/alo de solidi>caci!n es muy pe(ue)o, por lo (ue suelen o2tenerse por moldeo. Contienen de $ a +6 de Zn y, /arios otros elementos en pe(ue)as proporciones. El color de los latones, /ar3a del rosa al amarillo para contenidos crecientes de Zn, su 2uena resistencia a la corrosi!n y su aptitud para tratamientos super>ciales permiten reali"ar econ!micamente o2etos de 2ello aspecto, de lar0a duraci!n y de mantenimiento 1cil.

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40ina 

ZINC Y SUS ALEACIONES 9entro de distin0uenP •

• •

este

0rupo

de

aleaciones,

se

Latones 2inarios o latones propiamente dichos. Latones con plomo Latones especiales

LATONES BINARIOS C* 0FCC1/Zn S"l*ci$n !$li&' 2: Estructura c2icas de caras centradas. Los tomos de Zn reempla"an tomos de Cu de una manera desordenada.

F'! 3: Estructura c2ica de cuerpo centrado. Entre las "onas Qy ReBiste un campo donde coeBisten am2as 1ases, y a tra/5s de la cual la proporci!n de 1ase Rse incrementa a eBpensas de la Qa medida (ue el contenido en Zn de la aleaci!n se incrementa.

F'! 4: Es un compuesto Cu$Zn?, de estructura c2ica complea. Su 1ra0ilidad hace (ue estos latones no ten0an aplicaci!n industrial.

L5n' & #)'6"!: cru"a los campos 7QR:, R, 7R: a $ y +?GC, indica un cam2io pro0resi/o de la 1ase R, desordenada, a una estructura RT, ordenada, o /ice/ersa. La reacci!n de ordenaci!n es tan rpida (ue no puede e/itarse n i aun retardarse por un en1riamiento rpido.


40ina $

ZINC Y SUS ALEACIONES

L'#"n! 2 0C"n#ni&" n Zn 7 89/; <1 • • • • •

Estructura cristalinaP 8CC Son relati/amente 2landos, dctiles. Espec3>cos para tra2aar en 1r3o 7acritud:. 4uede ser tra2aado en caliente 7#*-J&--GC:. Se utili"an en 2isuter3a, tu2er3as, instrumentos musicales, monedas, o en ar(uitectura.

•

La conducti/idad t5rmica y el5ctrica disminuye al aumentar el contenido en Zn, al tiempo (ue aumenta la resistencia y empeora el comportamiento a corrosi!n. La mBima malea2ilidad se alcan"a con un *- 6de Zn 7lat!n de cartucher3a:. El lat!n con un %$ 6de Zn tiene un color muy parecido ad oro 7similorV:.

L'#"n! 3 0C"n#ni&" n Zn: =7Zn7>> <1


40ina +

ZINC Y SUS ALEACIONES Se caracteri"an por 1ormar a2aa temperatura una 1ase ordenada RW 7DCC ordenada:. La 1ase RT es ms dura y resistente (ue la 1ase α. La 1ase RT a alta temperatura se trans1orma en la 1ase R, desordenada y muy de1orma2le. Se emplean 1undamentalmente como aleaci!n de soldadura por tener una temperatura de 1usi!n in1erior a la de los latones Q.

L'#"n! in')i"! 2? 3 08=.>< 7 Zn 7 ;<1 •

•

•

• •

Los latones con mayor concentraci!n de "inc contienen las 1ases Q y RT a temperatura am2iente. Las aleaciones QRW se suelen tra2aar en caliente. Laminados o 1orados en caliente, como el =unt"7con un - por %-- de Zn:, (ue adems es ms 1cil de mecani"ar. =ayor resistencia y dure"a por el mayor contenido de Zn 7endurecimiento por SS y por 2orde de 0rano:. =enor ductilidad por la presencia de la 1ase R. Los latones QRson di13ciles de tra2aar en

E@%(l" & *n c'!" ()c#ic": Al'ci$n 9.> < C* 8=.> caci!n, consistir enteramente en 1ase 3, o, meor dicho, en 1ase UN=S= ELIA IILLAICENCIO CES4O

40ina #

ZINC Y SUS ALEACIONES 3ordenada, ya (ue no hay procedimiento de en1riamiento lo su>cientemente drstico para e/itar la ordenaci!n re0ular de los tomos cuando se cru"a la l3nea de tra"os. Si se templa desde ?*-XC, usto por de2ao de la l3nea de precipitaci!n de 2, se presentar una pe(ue)a proporci!n de estructura 2secundaria unto con la 1ase 3. A medida (ue la temperatura de temple se disminuye, la proporci!n de 1ase 3 decrecer, hasta (ue hac3a unos $$-XC la aleaci!n consistir enteramente en estructura 2. 4or de2ao de *$-XC, sin em2ar0o, eBiste la tendencia te!rica a /ol/er a precipitar la 1ase 3, pero el alcance del e(uili2rio es tan lento 7a esta 2aa @: (ue tal trans1ormaci!n raramente se presenta en la prctica.

EJEMPLOS DE LATONES COMERCIALES FORJADOS Y USOS

Los latones con ms de $- 6 Zn son 1r0iles 7aparece el microconstituyente :, por lo (ue no se lo emplean en la industria. En los latones especiales se a0re0an elementos de aleaci!n 7pe(ue)as cantidades de Sn, Al, 8e, =n, Ni, Si yKo 42: para incrementar la resistencia mecnica e1ecto sin5r0ico.


40ina ?


a:

2:

a: $-. Se o2ser/an s!lo * 0ranos y una triple 1rontera. La di1erencia en los contrastes de cada 0rano se de2e a la di1erencia en reecti/idadse0n la orientaci!n de las dendritas. 4rcticamente, cada 0rano consiste en una nica dendrita con mltiples rami>caciones. @am2i5n se o2ser/a microse0recaci!n de los espacios interdendr3ticos. 2: $--. 9e la >0ura se deduce la si0uiente historia termomecnicaP %. C"l'&". F. T)''@'&" n +)5". *. Rc"ci&". 4or(ue se o2ser/an maclas de recocido. Siempre (ue se o2ser/an maclas de recocido en un metal c2ico de caras centrado, podemos deducir (ue hu2o tra2aado en 1r3o se0uido de un @@ de recocido. . T)''@'&" n +)5" 0l,1. 4or la cur/atura en las l3neas de macla de recocido.


40ina &


c

d

c: F--.En1riamiento en aire desde ?F$XC 7re0i!n mono1sica R:. Se o2ser/a la 1ase Qidmanstaetten. La 1ase Qprecipita dentro de los 0ranos Ry en los 2ordes de 0rano. Ha2r3a menor cantidad de 1ase Q7o nada: en caso de ha2er templado desde ?F$XC. Al contrario, en caso de un en1riamiento lento 7en el horno: se o2tendr3a mayor cantidad de 1ase Q y 1ormando precipitados redondeados, es decir una microestructura de e(uili2rio. d: $--. @emplado desde ?F$XC.


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