Aleación para niños
Una aleación es una mezcla especial de dos o más elementos, donde al menos uno de ellos es un metal. Imagina que mezclas diferentes ingredientes para hacer una receta: el resultado es algo nuevo con propiedades distintas. Las aleaciones son así, pero con metales. Al combinarlos, el material resultante suele ser mucho mejor que los elementos por separado. Por ejemplo, el acero es una aleación de hierro y un poco de carbono, y es mucho más fuerte que el hierro puro.
Las aleaciones se crean para mejorar características de los metales, como hacerlos más resistentes, más duros o que no se oxiden tan fácilmente. Algunas aleaciones comunes que quizás conozcas son el latón (hecho de cobre y zinc) y el bronce (hecho de cobre y estaño).
En una aleación, los átomos de los diferentes elementos se unen de una forma especial, llamada enlace metálico. La cantidad de cada elemento en una aleación se mide en porcentajes. Las aleaciones pueden ser homogéneas (todo mezclado de manera uniforme) o heterogéneas (con diferentes partes visibles).
Contenido
Historia de las Aleaciones
Desde hace miles de años, los seres humanos han descubierto y usado aleaciones para fabricar herramientas, armas y objetos de uso diario.
El Cobre, el Estaño y el Bronce
El cobre fue uno de los primeros metales que la humanidad empezó a usar, hace entre 6.000 y 10.000 años. Se cree que se descubrió por accidente en fuegos muy calientes. Este metal dio nombre a la Edad del Cobre. El estaño se descubrió hace unos 5.000 años.
El bronce, una aleación de cobre y estaño, se empezó a usar en la prehistoria alrededor del año 3300 a.C. en una región llamada Palestina. El bronce es más duro y permite hacer objetos con bordes más afilados que el cobre. Por eso, esta aleación fue tan importante que dio nombre a la Edad del Bronce (aproximadamente del 2200 al 800 a.C.). Con bronce se hacían herramientas, armas, joyas y objetos para el día a día. ¡Incluso hoy en día se usa para hacer campanas de iglesia y esculturas!
El Latón
El latón es una aleación de cobre y zinc. El zinc se usaba desde la Edad del Bronce en lugares como Babilonia y Asiria. El latón fue un metal muy importante para fabricar monedas durante mucho tiempo. También se usaba y se usa para hacer joyas y esculturas por su brillo dorado. Cuanto más zinc tiene, más claro es su color.
Las Aleaciones de Hierro
Las aleaciones de hierro se usaban desde la prehistoria, pero solo se encontraban en meteoritos, que a menudo contenían una aleación de hierro y níquel. Como los meteoritos eran muy raros, los objetos de hierro eran muy valiosos. Los sumerios lo llamaban "metal del cielo".
Las aleaciones de hierro son más duras que el bronce y el cobre, lo que las hacía muy útiles. Cuando se aprendió a extraer y procesar el hierro de forma más eficiente, la gente pudo fabricar armas y herramientas como arados de hierro. Esto marcó el fin de la Edad del Bronce y el comienzo de la Edad de Hierro.
La primera vez que se fundió hierro de forma controlada fue en Anatolia, alrededor del 1800 a.C. En China, ya en el año 1200 a.C., se producía arrabio, una aleación de hierro y carbono muy dura pero frágil. Este material llegó a Europa mucho después, en la Edad Media.
El acero es una aleación de hierro y carbono. Aunque en la antigüedad se obtenía acero de forma accidental, la capacidad de cambiar su dureza con tratamiento térmico se conocía desde el 1100 a.C. En 1740, un inventor llamado Benjamin Huntsman encontró una forma de producir acero en grandes cantidades, lo que fue muy importante para fabricar herramientas.
Más tarde, en el siglo XIX, Henry Bessemer inventó un proceso para fabricar acero a gran escala inyectando aire caliente en el hierro líquido para reducir el carbono. Esto revolucionó la producción de acero.
Hoy en día, el término "acero aleado" se usa para aceros que contienen otros elementos además de hierro y carbono, como vanadio, molibdeno o cobalto. Estos elementos cambian las propiedades del acero base.
Descubrimientos Modernos en Aleaciones
Después de que Benjamin Huntsman desarrollara su acero, se empezó a experimentar con la adición de otros elementos. Por ejemplo, el manganeso ayudaba a eliminar impurezas.
En 1882, Robert Hadfield creó una aleación de acero con un 12% de manganeso, conocida como acero al manganeso. Esta aleación era extremadamente dura y resistente, siendo la primera aleación de acero exitosa comercialmente.
Otros descubrimientos importantes incluyen:
- El wolframio (o tungsteno) añadido al acero, que permitía hacer herramientas muy duras que no perdían su filo con el calor. Esto llevó al desarrollo del acero rápido.
- Los hermanos Wright usaron acero con cromo y níquel para el motor de su avión.
- Henry Ford usó aceros con vanadio en su Ford T por su resistencia.
- En 1912, en Alemania, se desarrolló el primer acero inoxidable añadiendo cromo y níquel, que es resistente a la oxidación.
¿Qué son las Aleaciones?
Una aleación es una mezcla de elementos químicos que mantiene las características de un metal. Se diferencia de un metal impuro en que, en una aleación, los elementos se añaden de forma controlada para obtener propiedades específicas y deseables.
Las aleaciones se hacen mezclando dos o más elementos, donde al menos uno es un metal. El metal principal se llama metal base. Los otros elementos pueden ser metales o no, pero deben poder disolverse en el metal base cuando está fundido.
Propiedades de las Aleaciones
Las propiedades de las aleaciones suelen ser muy diferentes de las de los metales que las componen. Por ejemplo, el aluminio puro es muy blando, pero si se alea con cobre, la aleación de aluminio resultante es mucho más resistente. Añadir una pequeña cantidad de carbono al hierro lo hace más fuerte y resistente, creando el acero. El acero es una de las aleaciones más útiles y comunes en el mundo moderno.
A veces, los metales fundidos no se mezclan bien entre sí, como el aceite y el agua. Además, cada elemento tiene un límite de cuánto puede disolver otro. Por ejemplo, el hierro solo puede contener un máximo de 6.67% de carbono.
Cuando una aleación se enfría, los elementos pueden permanecer mezclados de forma uniforme (formando una "solución sólida") o pueden separarse en diferentes tipos de cristales.
Algunas aleaciones, como el electro (una mezcla de plata y oro), se encuentran en la naturaleza. Los meteoritos también pueden contener aleaciones naturales de hierro y níquel.
En la era moderna, el acero se puede producir de muchas maneras, variando el contenido de carbono para obtener aceros blandos o duros. También se pueden añadir otros elementos para crear aceros aleados con propiedades especiales, como el acero rápido o el acero para herramientas.
¿Cómo se Hacen las Aleaciones?
Las aleaciones se hacen combinando un metal con uno o más elementos. La forma más común y antigua es calentar el metal base hasta que se derrita y luego disolver los otros elementos en el líquido.
También se pueden hacer aleaciones mezclando los componentes en polvo, prensándolos a alta presión y calentándolos a temperaturas un poco por debajo de su punto de fusión. Este método se llama pulvimetalurgia y es muy útil para hacer aleaciones con características especiales.
Otra técnica es la implantación de ion, donde se disparan haces de iones (átomos con carga eléctrica) de carbono, nitrógeno u otros elementos sobre la superficie de un metal en una cámara de vacío. Esto crea una capa de aleación fina y resistente en la superficie.
Características de las Aleaciones
Las aleaciones suelen tener un brillo metálico y conducen bien la electricidad y el calor, aunque a veces un poco menos que los metales puros. Sus propiedades físicas y químicas son parecidas a las de los metales, pero sus propiedades mecánicas (como la dureza, la resistencia o la capacidad de estirarse) pueden ser muy diferentes, y por eso son tan interesantes.
A diferencia de los metales puros, la mayoría de las aleaciones no tienen un único punto de fusión. En cambio, tienen un rango de temperaturas en el que el material es una mezcla de sólido y líquido, como una "papilla". La temperatura a la que empieza a derretirse se llama solidus, y la temperatura en la que se derrite por completo se llama liquidus. Sin embargo, algunas aleaciones especiales, llamadas mezclas eutécticas, sí tienen un único punto de fusión, que además es más bajo que el de sus componentes.
Tratamientos Térmicos
Se añaden elementos a un metal base para hacerlo más duro, resistente o flexible. Muchos metales y aleaciones pueden hacerse más duros al deformarlos, como al martillar o doblar. Además, el tratamiento térmico (calentar y enfriar de forma controlada) puede cambiar las propiedades de algunas aleaciones.
Por ejemplo, el hierro, que es el metal base del acero, cambia la forma en que sus átomos se organizan a ciertas temperaturas. Esto permite que los pequeños átomos de carbono se metan entre los átomos de hierro. Si el acero se enfría lentamente, el carbono puede salir del hierro, haciendo que el acero sea más blando. Pero si se enfría rápidamente (un proceso llamado templado), los átomos de carbono quedan atrapados dentro de los cristales de hierro, haciendo que el acero sea muy duro, aunque más frágil.
En 1906, Alfred Wilm descubrió las aleaciones que se endurecen con el tiempo, un proceso llamado envejecimiento térmico. Estas aleaciones, como algunas de aluminio, titanio y cobre, se ablandan al enfriarse rápidamente y luego se endurecen a medida que "envejecen". El duraluminio, una aleación de aluminio, cobre y magnesio, fue una de las primeras en usar este proceso y se convirtió en un material clave para la construcción de los primeros zepelines y aeronaves.
¿Cómo se Forman las Aleaciones a Nivel Atómico?
Cuando un metal fundido se mezcla con otra sustancia, hay dos formas principales en que se forma una aleación a nivel de los átomos:
- Intercambio atómico: Ocurre cuando los átomos de los elementos son de tamaño similar. Algunos átomos del metal base son reemplazados por átomos del otro elemento. Ejemplos son el bronce y el latón, donde átomos de estaño o zinc reemplazan a algunos de los átomos de cobre.
- Mecanismo intersticial: Sucede cuando un átomo es mucho más pequeño que el otro. Los átomos más pequeños no reemplazan a los grandes, sino que se quedan atrapados en los pequeños espacios (intersticios) entre los átomos del metal principal. El acero es un ejemplo, ya que los pequeños átomos de carbono encajan en los intersticios del hierro.
El acero inoxidable es un ejemplo de una combinación de ambos: los átomos de carbono se meten en los intersticios, y algunos átomos de hierro son reemplazados por átomos de níquel y cromo.
Clasificación de las Aleaciones
Las aleaciones se clasifican según el elemento que está en mayor proporción. Por ejemplo, se habla de "aleaciones férricas" si el hierro es el componente principal, o "aleaciones con base de cobre". Si se mezclan solo metales, las proporciones pueden ser similares. Si se añade un elemento no metálico, suele ser en cantidades muy pequeñas.
Fórmulas de las Aleaciones
Para nombrar una aleación, se suele poner primero el nombre del metal base, seguido del símbolo químico de los componentes más importantes y un número que indica su porcentaje. Por ejemplo, una aleación CuZn37 significa que es una base de cobre con un 37% de zinc.
El acero es una aleación de hierro y carbono. En su nombre, no se suele mencionar el hierro como metal base. Si es un acero inoxidable, se añade una "X" al principio.
Aleaciones Más Comunes
Aquí tienes algunas de las aleaciones más usadas:
- Acero: Hierro con una pequeña cantidad de carbono (entre 0.008% y 1.7%).
- Acero inoxidable: Acero con al menos un 10% de cromo, lo que lo hace resistente a la oxidación.
- Alnico: Principalmente cobalto, aluminio, níquel y hierro.
- Alpaca: Zinc, cobre y níquel.
- Amalgama: Mercurio con otro metal.
- Bronce: Cobre y estaño (entre 3% y 20% de estaño).
- Constantán: 55% de cobre y 45% de níquel.
- Cuproníquel: Cobre y níquel.
- Cuproaluminio: Cobre con aluminio.
- Latón: Cobre con zinc.
- Magal: Magnesio con aluminio, zinc y manganeso.
- Nicrom: 80% de níquel y 20% de cromo.
- Nitinol: Titanio y níquel.
- Oro blanco: Oro con otro metal blanco como plata, paladio o níquel.
- Peltre: Estaño, cobre, antimonio y plomo.
- Plata de ley: Plata y normalmente cobre.
- Zamak: Aleación de zinc con aluminio, magnesio y cobre.
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Véase también
En inglés: Alloy Facts for Kids
