Escasez de materias primas

Las materias primas son una parte esencial de ambos productos de alta tecnología y productos de consumo diario, tales como teléfonos móviles, la energía fotovoltaica de capa fina, las baterías de iones de litio, cable de fibra óptica, y los combustibles sintéticos, entre otros. Sin embargo, su disponibilidad es cada vez más bajo la presión de acuerdo con un informe publicado por un grupo de expertos presidido por la Comisión Europea. 

Las 14 materias primas minerales consideró fundamental para la UE son los siguientes: 
antimonio, berilio, cobalto, fluorita, galio, germanio, grafito, indio, magnesio, niobio, metales del grupo del platino, tierras raras, tantalio y el tungsteno. 

Las previsiones indican que la demanda sería más del triple de una serie de materias primas fundamentales para el año 2030 en comparación con el nivel de 2006. Para las materias primas esenciales, su riesgo de suministro para la alta tecnología se debe principalmente al hecho de que una alta proporción de la producción mundial proviene principalmente de un puñado de países: China (antimonio, fluorita, galio, germanio, grafito, indio, magnesio, tierras raras , tungsteno), Rusia (PGM), Congo (cobalto, tantalio) y Brasil (niobio y tantalio). Esta concentración de la producción, en muchos casos, se ve agravado por la posibilidad de sustitución bajo y las bajas tasas de reciclado. 

Muchas economías emergentes siguen estrategias de desarrollo industrial a través del comercio, la fiscalidad y los instrumentos de inversión destinadas a mantener su base de recursos para su uso exclusivo. Una de las fuerzas más poderosas que influyen en la importancia económica de las materias primas en el futuro es el cambio tecnológico. 

Es de esperar que este puede aumentar drásticamente la demanda de ciertas materias primas. La conducción principal de las nuevas tecnologías para las materias primas esenciales son el óxido de antimonio estaño y antimonio para micro condensadores, baterías de iones de litio y los combustibles sintéticos para el cobalto, la energía fotovoltaica de capa fina, IC, WLED de galio, cable de fibra óptica para los medios ópticos y de infrarrojos para el germanio , las pantallas y la fotovoltaica de capa fina para el indio, pilas de combustible y catalizadores de platino, los catalizadores y la desalinización del agua de mar para el paladio, el micro condensadores y ferro aleaciones de niobio, imanes permanentes y la tecnología láser para neodimio (tierras raras), y condensadores de micro y la tecnología médica para tántalo. Para superar los problemas actuales, el Grupo recomienda: 

• La actualización de la lista de críticas de la UE de materias primas cada 5 años y ampliar el alcance de la evaluación de la criticidad; 

• Acciones para mejorar el acceso a los recursos primarios; 

• Acciones de política para hacer el reciclaje de materias primas o primas que contienen material-productos más eficientes; 

• Fomentar la sustitución de ciertas materias primas, en particular mediante el fomento de la investigación sobre sustitutos de materias primas fundamentales;

• Mejorar la eficiencia de los materiales en general de materias primas fundamentales.

Nuevos materiales: semiconductores, silicio, coltán, fibra óptica

• Los nuevos materiales son productos de nuevas tecnologías fruto del desarrollo de la química y la física aplicada, de la ingeniería y de la ciencia de los materiales. Se han diseñado para responder a nuevas necesidades o a alguna aplicación tecnológica.


• El rápido progreso de la electrónica durante la segunda mitad del siglo XX se explica por el refuerzo mutuo entre la investigación de materiales y su aplicación industrial práctica en áreas tan distintas como la ingeniería, la medicina, la construcción, las telecomunicaciones o la informática.


• Los avances de la física y la aparición de la electrónica combinada con los progresos de la ciencia de los materiales han dado lugar a circuitos eléctricos y electrónicos muy reducidos capaces de controlar señales eléctricas de muy baja intensidad, gracias a nuevos materiales eléctricos como:

• Semiconductores: Materiales como el silicio, galio o selenio, arseniuro de galio, etc., cuya resistencia al paso de la corriente depende de factores como la temperatura, la tensión mecánica o el grado de iluminación que se aplica. Con ellos se fabrican microchips para ordenadores y circuitos de puertas lógicas.


• Superconductores: Materiales como el mercurio por debajo de 4 K de temperatura, nanotubos de carbono, aleaciones de niobio y titanio, cerámicas de óxidos de itrio, bario y cobre, etc., que al no oponer resistencia al paso de la corriente eléctrica, permiten el transporte de energía sin pérdidas.


• Piezoeléctricos: Materiales como el cuarzo, la turmalina, cerámicas y materiales plásticos especiales, dotados de estructuras microcristalinas, que poseen la capacidad de transformar la energía mecánica en eléctrica y viceversa. Se utilizan como sensores y actuadores en dispositivos electrónicos como relojes, encendedores, micrófonos, radares, etc.


• Otros nuevos materiales son:
  
  
  • Siliconas: Polímeros en los que las cadenas están formadas por silicio en lugar de carbono. Son materiales muy flexibles, ligeros y moldeables. Son aislantes del calor y de la electricidad y no les afectan ni el agua, ni las grandes variaciones de temperatura. No sufren rechazo en tejidos vivos. Se usan para fabricación de revestimientos exteriores, tapar y sellar grietas, fabricación de prótesis e implantes, material quirúrgico, cirugía estética, etc.
  
  
  • El coltán: formado por dos minerales, la columbita y la tantalita, de los que se extraen el tántalo y el niobio, metales necesarios para la fabricación de microprocesadores, baterías de móviles, componentes electrónicos, aleaciones de acero para oleoductos, centrales nucleares, etc. El 80% de las reservas conocidas se encuentra en la República Democrática del Congo. Por ello hay en esta región una amplia zona de conflicto y de guerras por el control de las minas de diamantes, oro, uranio y coltán.
  
  
  • La fibra óptica: son fibras constituidas por un núcleo central de vidrio muy transparente, dopado con pequeñas cantidades de óxidos de germanio o de fósforo, rodeado por una fina capa de vidrio con propiedades ópticas ligeramente diferentes. Atrapan la luz que entra en ellas y la transmiten casi íntegramente.
  
  
  • Materiales inteligentes, activos o multifuncionales: materiales como los recubrimientos termocrómicos, capaces de responder de modo reversible y controlable a diferentes estímulos físicos o químicos externos, cambian de color según la temperatura, en caso de incendio, movimientos, esfuerzos, etc. Se utilizan como sensores, actuadores, etc. en domótica y sistemas inteligentes de seguridad.
  
  
  • Materiales con memoria de forma: materiales como las aleaciones metálicas de níquel y titanio, variedades de poliuretano y poliestireno capaces de «recordar» la disposición de su estructura espacial y volver a ella después de una deformación. Se utilizan en sistemas de unión y separación de alambres dentales para ortodoncia, películas protectoras adaptables y válvulas de control de temperatura.
  
  
  • Materiales híbridos: materiales formados por una fibra y una matriz, como fibras de vidrio y de carbono con una matriz de poliéster o matriz metálica o de cerámica. Son materiales ligeros y de gran resistencia mecánica y altas temperaturas, utilizados en la industria aeronáutica y de embarcaciones, en motores y reactores de aviación.

SPUTTERING - Pulverización

El proceso de sputtering consiste en la extracción de átomos de la superficie de un electrodo debido al intercambio de momento con iones que bombardean los átomos de la superficie. Con esta definición está claro que el proceso de sputtering es básicamente un proceso de ataque, frecuentemente utilizado para la limpieza de superficies y la delineación de pistas. Sin embargo, como en el proceso de sputtering se produce vapor del material del electrodo, es también un método utilizado en la deposición de películas, similar a la evaporación.

Con el término deposición por sputtering se enmarcan una gran cantidad de procesos, pero todos tienen en común el empleo de un blanco del material que va a ser depositado como cátodo en la descarga luminosa. El material es transportado desde el blanco hasta el substrato donde se forma la película. De esta forma se depositan películas de metales puros o aleaciones utilizando descargas de gases nobles. Es también posible depositar materiales compuestos por sputtering utilizando blancos elementales con gases reactivos. Así se depositan óxidos y nitruros de metales en atmósferas reactivas de oxígeno y nitrógeno, respectivamente.

Una técnica de deposición de materiales basada en el principio de sputtering, es la de Sputtering Magnetrón. Se caracteriza por utilizar campos magnéticos transversales a los campos eléctricos en la superficie del blanco. La aplicación de este campo magnético transversal da lugar a cambios importantes en el proceso básico de sputtering. Los electrones secundarios generados en el blanco no bombardean el substrato debido a que son atrapados en trayectorias cicloidales cerca del blanco, así disminuye la temperatura a la que se calienta el substrato y disminuye el daño por radiación. Este hecho permite recubrir substratos que no resistan temperaturas altas (como plásticos) y superficies sensibles. Además en esta técnica las velocidades de deposición son más altas que en el sputtering tradicional, pudiendo utilizar la técnica combinada con sputtering reactivo.

El sistema de sputtering magnetrón de tres cátodos y un portasubstratos giratorio, es utilizado en el crecimiento de películas compuestas y multicapas de nitruros metálicos (Ti, Al, Zr, etc) con fines fundamentalmente de aplicaciones como recubrimientos duros.

Molibdeno

El molibdeno es un elemento químico de número atómico 42 que se encuentra en el grupo 6 de la tabla periódica de los elementos y se simboliza como Mo.

El molibdeno es un metal esencial desde el punto de vista biológico y se utiliza sobre todo en aceros aleados.

Es un metal plateado, tiene el sexto punto de fusión más alto de cualquier elemento. El molibdeno no se produce como el metal libre en la naturaleza, sino en varios estados de oxidación en los minerales. Industrialmente, los compuestos de molibdeno se emplean en aplicaciones de alta presión y alta temperatura, como pigmentos y catalizadores.

La mayoría de los compuestos de molibdeno tienen baja solubilidad en agua, pero el ion de molibdato MoO₄^-2 es soluble y se forma cuando los minerales que contienen molibdeno están en contacto con el oxígeno y el agua. Algunas teorías recientes sugieren que la liberación de oxígeno era importante en la eliminación de molibdeno de un mineral en una forma soluble en los océanos primitivos, donde se utiliza como catalizador de los organismos unicelulares. Esta secuencia puede haber sido importante en la historia de la vida, porque las enzimas que contienen molibdeno se convirtieron en los catalizadores más importantes utilizados por algunas bacterias para descomponerlos en átomos de nitrógeno. Esto, a su vez permitió al nitrógeno impulsar biológicamente la fertilización de los océanos, y por lo tanto el desarrollo de organismos más complejos.

Al menos 50 enzimas que contienen molibdeno son conocidas en bacterias y animales, aunque sólo las enzimas de bacterias y cyanobacterias están involucradas en la fijación de nitrógeno. Debido a las diversas funciones del resto de las enzimas, el molibdeno es un elemento necesario para la vida en organismos superiores, aunque no en todas las bacterias.

Propiedades físicas

El molibdeno es un metal de transición. Este metal puro es de color blanco plateado y muy duro; además, tiene uno de los puntos de fusión más altos de entre todos los elementos. En pequeñas cantidades, se emplea en distintas aleaciones de acero para endurecerlo o hacerlo más resistente a la corrosión. Por otra parte, el molibdeno es el único metal de la segunda serie de transición al que se le ha reconocido su esencialidad desde el punto de vista biológico; se encuentra en algunas enzimas con distintas funciones, concretamente en oxotransferasas (función de transferencia de electrones), como la xantina oxidasa, y en nitrogenasas (función de fijación de nitrógeno molecular). Es uno de los pocos metales que resisten adecuadamente el ácido clorhídrico, siendo el Tantalio el más fuerte ante este medio corrosivo en específico. La adición de cantidades mínimas del metal afectan a la resistencia a las soluciones clorhídricas que normalmente afectan a los aceros (incluso a los inoxidables). A veces con un porcentaje mínimo de 2% de Mo en masa, los aceros adquieren la resistencia necesaria para operar en ambientes marinos. El aumento del molibdeno en los aceros inoxidables aumenta su tenacidad y sobre todo su resistencia al ataque de los compuestos de cloro.

En su forma pura, como metal blanco plateado es el molibdeno con una dureza de Mohs de 5,5. Tiene un punto de fusión de 2.623 °C. De los elementos naturales, sólo el tantalio, el osmio, el renio, el wolframio y el carbono tienen puntos de fusión más alto. El molibdeno sólo se oxida rápidamente a temperaturas superiores a 600 °C (débil oxidación comienza a 300 °C). Su coeficiente de dilatación es uno de los más bajos entre los metales utilizados comercialmente. Su resistencia a tracción hace que los cables de molibdeno aumenten de 10 a 30 GPa cuando disminuye su diámetro de 50-100 nm a 10 nm.

Propiedades químicas

El molibdeno es un metal de transición con una electronegatividad de 1,8 en la escala de Pauling y una masa atómica de 95,94 g/mol. No reacciona con oxígeno o agua a temperatura ambiente. A temperaturas elevadas, se forma el óxido de molibdeno (VI):

2 Mo + 3 O₂ → 2 MoO₃

El molibdeno tiene varios estados de oxidación. Un ejemplo es la inestabilidad del molibdeno (III) y del wolframio (III) en comparación con la estabilidad de cromo (III). El estado de oxidación es más común en el molibdeno (VI) (MoO₃) mientras que el compuesto de óxido de azufre normal es el disulfuro de molibdeno (MoS₂).

El óxido de molibdeno (VI) es soluble en bases y contribuye en la formación de molibdatos (MoO₄²⁻). Los molibdatos son menos oxidantes que los cromatos, pero muestran una tendencia similar cuando forman oxoaniones complejos por condensación en los valores de pH más bajos, como [Mo₇O₂₄]⁶⁻ y [Mo₈O₂₆]⁴⁻. Los polimolibdatos pueden incorporar otros iones en su estructura, formando polioxometalatos. El fósforo que contiene heteropolimolibdato P[Mo₁₂O₄₀]³⁻ se utiliza para la detección de espectroscopia en el fósforo. La amplia gama de estados de oxidación del molibdeno se refleja en diversos cloruros de molibdeno:

• Cloruro de molibdeno (II) MoCl₂ (sólido de color amarillo)
• Cloruro de molibdeno (III) MoCl₃ (sólido de color rojo oscuro)
• Cloruro de molibdeno (IV) MoCl₄ (sólido de color negro)
• Cloruro de molibdeno (V) MoCl₅ (sólido de color verde oscuro)
• Cloruro de molibdeno (VI) MoCl₆ (sólido de color marrón)

La estructura del MoCl₂ se compone de Mo₆Cl₈⁴⁺ se compone de cuatro iones de cloruro que tienden a compensar la carga eléctrica.

Como el cromo y algunos otros metales de transición, el molibdeno es capaz de formar enlaces cuádruples, como en Mo₂(CH₃COO)₄. Este compuesto se puede transformar en Mo₂Cl₈⁴⁻ que también tiene un enlace cuádruple.

El estado de oxidación 0 es posible con el monóxido de carbono como ligando, como en el molibdeno hexacarbonilo, Mo(CO)₆

Aplicaciones

• Aproximadamente las dos terceras partes del molibdeno consumido se emplean en aleaciones. El uso del molibdeno se remonta a la Primera Guerra Mundial, cuando hubo una fuerte demanda de wolframio, que lo hizo escasear, y se necesitaban aceros muy resistentes. El molibdeno se utiliza pues en aleaciones de alta resistencia y que soporten temperaturas y corrosiones sumamente altas. Estas aleaciones se usan en la construcción y en piezas de aviones y automóviles.
• El molibdeno se usa como catalizador en la industria petrolera. En concreto, es útil para la eliminación de azufre.
• El ⁹⁹Mo se emplea en la industria de isótopos nucleares.
• Se emplea en distintos pigmentos (con un color anaranjado), para pinturas, tintes, plásticos y compuestos de caucho.
• El disulfuro de molibdeno (MoS₂) es un buen lubricante por sí mismo y brinda propiedades de tolerancia de presiones extremas a los lubricantes al reaccionar con el metal,de manera que se forma una capa cristalina en la superficie de éste. Gracias a ello, el contacto metal-metal, destructivo a largo plazo, se reduce al mínimo y se puede emplear a altas temperaturas.
• El molibdeno se emplea en determinadas aplicaciones electrónicas, como en las capas de metal conductoras en los transistores TFT (Thin Film Transistor).

Saber más sobre molibdeno

Aleaciones más comunes

Las aleaciones no tienen una temperatura de fusión única, dependiendo de la concentración, cada metal puro funde a una temperatura, coexistiendo simultáneamente la fase líquida y fase sólida como se puede apreciar en los diagramas de fase. 

Hay ciertas concentraciones específicas de cada aleación para las cuales la temperatura de fusión se unifica. Esa concentración y la aleación obtenida reciben el nombre de eutéctica, y presenta un punto de fusión más bajo que los puntos de fusión de los componentes. Preparación Históricamente, la mayoría de las aleaciones se preparaban mezclando los materiales fundidos. Más recientemente, la pulvimetalurgia ha alcanzado gran importancia en la preparación de aleaciones con características especiales. En este proceso, se preparan las aleaciones mezclando los materiales secos en polvo, prensándolos a alta presión y calentándolos después a temperaturas justo por debajo de sus puntos de fusión. El resultado es una aleación sólida y homogénea. Los productos hechos en serie pueden prepararse por esta técnica abaratando mucho su costo. Entre las aleaciones que pueden obtenerse por pulvimetalurgia están los cermets. Estas aleaciones de metal y carbono (carburos), boro (boruros), oxígeno (óxidos), silicio (siliciuros) y nitrógeno (nitruros) combinan las ventajas del compuesto cerámico, estabilidad y resistencia a las temperaturas elevadas y a la oxidación, con las ventajas del metal, ductilidad y resistencia a los golpes. Otra técnica de aleación es la implantación de ion, que ha sido adaptada de los procesos utilizados para fabricar chips de ordenadores o computadoras. Sobre los metales colocados en una cámara de vacío, se disparan haces de iones de carbono, nitrógeno y otros elementos para producir una capa de aleación fina y resistente sobre la superficie del metal. Bombardeando titanio con nitrógeno, por ejemplo, se puede producir una aleación idónea para los implantes de prótesis.

La plata, el oro de 18 quilates, el oro blanco y el platino son aleaciones de metales preciosos. La aleación antifricción, el latón, el bronce, el metal Dow, la plata alemana, el bronce de torpedo, el monel, el peltre y la soldadura son aleaciones de metales menos preciosos. Debido a sus impurezas, el aluminio comercial es en realidad una aleación. Las aleaciones de mercurio con otros metales se llaman amalgamas.

Las aleaciones más comunes utilizadas en la industria son:

• Acero: Es aleación de hierro con una cantidad de carbono variable entre el 0,008 y el 1,7% en peso de su composición, sobrepasando el 1.7% (hasta 6.67%) pasa a ser una fundición.
• Acero inoxidable: El acero inoxidable se define como una aleación de acero con un mínimo del 10 % al 12 % de cromo contenido en masa
• Alnico: Formada principalmente de cobalto (5.24%), aluminio (8-12%) y níquel (15-26%), aunque también puede contener cobre (6%), en ocasiones titanio (1%) y el resto de hierro.
• Alpaca: Es una aleación ternaria compuesta por zinc (8-45%), cobre (45-70%) y níquel (8-20%)
• Bronce: Es toda aleación metálica de cobre y estaño en la que el primero constituye su base y el segundo aparece en una proporción del 3 al 20 %.
• Constantán: Es una aleación, generalmente formada por un 55% de cobre y un 45% de níquel.
• Cuproníquel: Es una aleación de cobre, níquel y las impurezas de la consolidación, tales como hierro y manganeso.
• Cuproaluminio: Es una aleación de cobre con aluminio.
• Latón: Es una aleación de cobre con zinc.
• Magal: Es una aleación de magnesio, al que se añade aluminio (8 o 9%), zinc (1%) y manganeso (0.2%).
• Magnam: Es una aleación de Manganeso que se le añade Aluminio y Zinc.
• Nicrom: Es una aleación compuesta de un 80% de níquel y un 20% de cromo.
• Nitinol: titanio y níquel.
• Oro blanco (electro): Es una aleación de oro y algún otro metal blanco, como la plata, paladio, o níquel.
• Peltre: Es una aleación compuesta por estaño, cobre, antimonio y plomo.
• Plata de ley
• Zamak: Es una aleación de zinc con aluminio, magnesio y cobre.

Metales

Se denomina metal a los elementos químicos caracterizados por ser buenos conductores del calor y la electricidad. Poseen alta densidad y son sólidos en temperaturas normales (excepto el mercurio); sus sales forman iones electropositivos (cationes) en disolución.

La ciencia de materiales define un metal como un material en el que existe un solapamiento entre la banda de valencia y la banda de conducción en su estructura electrónica (enlace metálico). Esto le da la capacidad de conducir fácilmente calor y electricidad,(tal como el cobre) y generalmente la capacidad de reflejar la luz, lo que le da su peculiar brillo. En ausencia de una estructura electrónica conocida, se usa el término para describir el comportamiento de aquellos materiales en los que, en ciertos rangos de presión y temperatura, la conductividad eléctrica disminuye al elevar la temperatura, en contraste con los semiconductores.

El concepto de metal se refiere tanto a elementos puros, así como aleaciones con características metálicas, como el acero y el bronce. Los metales comprenden la mayor parte de la tabla periódica de los elementos y se separan de los no metales por una línea diagonal entre el boro y el polonio. En comparación con los no metales tienen baja electronegatividad y baja energía de ionización, por lo que es más fácil que los metales cedan electrones y más difícil que los ganen.

En astrofísica se llama metal a todo elemento más pesado que el helio.

Los metales poseen ciertas propiedades físicas características, entre ellas son conductores de la electricidad. La mayoría de ellos son de color grisáceo, pero algunos presentan colores distintos; el bismuto (Bi) es rosáceo, el cobre (Cu) rojizo y el oro (Au) amarillo. En otros metales aparece más de un color; este fenómeno se denomina policromismo.

Otras propiedades serían:

• Maleabilidad: capacidad de los metales de hacerse láminas al ser sometidos a esfuerzos de compresión.
• Ductilidad: propiedad de los metales de moldearse en alambre e hilos al ser sometidos a esfuerzos de tracción.
• Tenacidad: resistencia que presentan los metales al romperse o al recibir fuerzas bruscas (golpes, etc.)
• Resistencia mecánica: capacidad para resistir esfuerzo de tracción, compresión, torsión y flexión sin deformarse ni romperse.

Suelen ser opacos o de brillo metálico, tienen alta densidad, son dúctiles y maleables, tienen un punto de fusión alto, son duros, y son buenos conductores (calor y electricidad).

La ciencia de materiales define un metal como un material en el que existe un traslape entre la banda de valencia y la banda de conducción en su estructura electrónica (enlace metálico). Esto le da la capacidad de conducir fácilmente calor y electricidad, y generalmente la capacidad de reflejar la luz, lo cual le da su peculiar brillo.

Metales nobles

Los metales nobles son un grupo de metales caracterizados por ser muy inertes químicamente, es decir, que no reaccionan químicamente (o reaccionan muy poco) con otros compuestos químicos, lo que los convierte en metales muy interesantes para muchos fines tecnológicos o para joyería.

Esta propiedad se traduce en una escasa reactividad, o lo que es lo mismo, son poco susceptibles de corroerse y oxidarse, lo que les proporciona apariencia de inalterabilidad, razón por la cual se les denomina con el apelativo de nobles.

Acero

El término acero sirve comúnmente para denominar, en ingeniería metalúrgica, a una mezcla de hierro con una cantidad de carbono variable entre el 0,03 % y el 2,14 % en masa de su composición, dependiendo del grado. Si la aleación posee una concentración de carbono mayor al 2,14 % se producen fundiciones que, en oposición al acero, son mucho más frágiles y no es posible forjarlas sino que deben ser moldeadas.

No se debe confundir el acero con el hierro, que es un metal relativamente duro y tenaz, con diámetro atómico (dA) de 2,48 Å, contemperatura de fusión de 1535 °C y punto de ebullición 2740 °C. Por su parte, el carbono es un no metal de diámetro menor (dA = 1,54 Å), blando y frágil en la mayoría de sus formas alotrópicas (excepto en la forma de diamante). La difusión de este elemento en la estructura cristalina del anterior se logra gracias a la diferencia en diámetros atómicos, formándose un compuesto intersticial.

La diferencia principal entre el hierro y el acero se halla en el porcentaje del carbono: el acero es hierro con un porcentaje de carbono de entre el 0,03 % y el 1,075 %, a partir de este porcentaje se consideran otras aleaciones con hierro.

Cabe destacar que el acero posee diferentes constituyentes según su temperatura, concretamente, de mayor a menor dureza, perlita, cementita y ferrita; además de la austenita (para mayor información consultar el artículo Diagrama Hierro-Carbono).

El acero conserva las características metálicas del hierro en estado puro, pero la adición de carbono y de otros elementos tanto metálicos como no metálicos mejora sus propiedades físico-químicas.

Existen muchos tipos de acero en función del elemento o los elementos aleantes que estén presentes. La definición en porcentaje de carbono corresponde a los aceros al carbono, en los cuales este no metal es el único aleante, o hay otros pero en menores concentraciones. Otras composiciones específicas reciben denominaciones particulares en función de múltiples variables como por ejemplo los elementos que predominan en su composición (aceros al silicio), de su susceptibilidad a ciertos tratamientos (aceros de cementación), de alguna característica potenciada (aceros inoxidables) e incluso en función de su uso (aceros estructurales). Usualmente estas aleaciones de hierro se engloban bajo la denominación genérica de aceros especiales, razón por la que aquí se ha adoptado la definición de los comunes o "al carbono" que además de ser los primeros fabricados y los más empleados,¹ sirvieron de base para los demás. Esta gran variedad de aceros llevó a Siemens a definir el acero como «un compuesto de hierro y otra sustancia que incrementa su resistencia».

Efectos de elementos de aleación en acero. Carbono

El carbono tiene un efecto importante sobre las propiedades del acero. 

El carbono es el elemento principal de endurecimiento en el acero. La dureza y la resistencia a la tracción aumenta en contenido de carbono hasta aproximadamente 0.85% C como se muestra en la figura anterior. 

La ductilidad y soldabilidad disminuye con el aumento de carbono.

Fundición en Bruto y Fundición Especular

Fundición en bruto y Fundición especular, en lingotes, bloques,u otras formas primarias.

• Fundición en bruto sin alear con un contenido de fósforo inferior o igual al 0.5% en peso.
• Fundición en bruto sin alear con un contenido de fósforo superior al 0.5% en peso.
• Fundición en bruto aleada; fundición especular.

Fundición en Bruto (Arrabio y Fundición)

La fundición en bruto es el principal producto básico de la industria siderúrgica. Se obtiene principalmente por reducción y fusión del mineral de hierro en el alto horno o por fusión de desperdicios y desechos de fundición, hierro o acero en el horno eléctrico o en el cubilote. Constituye una aleación hierro‑carbono y contiene además otros elementos, tales como: silicio, manganeso, azufre, fósforo, contenidos en los minerales, los desechos, el fundente, el combustible y a veces, otros elementos tales como cromo o níquel añadidos para conferirle propiedades especiales.

La denominación fundición en bruto (arrabio y fundición) se aplica no sólo a la fundición de primera fusión (arrabio), sino también a la fundición más o menos afinada por una segunda fusión o con elementos de aleación agregados, o incluso con mezclas de diversas variedades de fundición, a condición de que la composición de estos distintos productos responda a la definición de fundición en bruto. El arrabio se presenta en forma de masas, tochos, galápagos, incluso rotos, o en estado líquido. La fundición moldeada de otro modo (por ejemplo, en piezas sin desbastar, en tubos y, con más motivo, en piezas acabadas) sigue el régimen de las manufacturas correspondientes.

La fundición tiene la propiedad de ser bastante frágil y no maleable. Esta situación se remedia, sometiendo la fundición a un prolongado calentamiento a alta temperatura y se obtiene un producto llamado fundición maleable (de núcleo blanco o negro) que en la superficie tiene sensiblemente las calidades del acero. La fundición maleable casi siempre se moldea en forma de objetos, en forma de tochos, galápagos, etc., y el contenido de carbono es superior al 2% en peso,

La fundición aleada es la que contiene uno o varios elementos.

Fundición Especular

La fundición especular, a veces, se clasifica como una ferroaleación, puesto que se obtiene en general, tratando directamente los minerales.

La fundición especular se utiliza principalmente para desoxidar o recarburar el acero y para la fabricación de determinados aceros aleados. Su fractura muestra una superficie brillante a causa del alto contenido de manganeso, y se presenta en las mismas formas que el arrabio.

Grafitización

La grafitización es la corrosión selectiva de la fundición gris, eliminando parcialmente los constituyentes metálicos y dejando subsistir el grafito.

El grafito es una variedad de carbono cristalizado que es quebradizo y por consiguiente frágil.

Para que aparezca grafito se debe realizar un enfriamiento lento en presencia de al menos un 1% de Si, en general el efecto máximo de la grafitización se alcanza cuando la concentración de silicio es de un 3%. Normalmente se parte de una fundición blanca que se enfría según el diagrama metaestable dando lugar a la cementita y la austenita, pero si el enfriamiento es lento y en presencia de silicio, este carburo se descompone y se segrega grafito y ferrita con lo que se obtiene una mezcla de fundición gris y blanca conocida como fundición atruchada. Esto ocurre en piezas con espesor grande donde el exterior se enfría rápidamente y el interior de una forma lenta (caso de la mayoría de las fundiciones).

El grafito se presenta en láminas, esto da fragilidad a la fundición y capacidad de amortiguamiento. Para mejorar la capacidad de deformación se le añade Ni y Mg a la fundición, lo que provoca la formación del grafito en forma esferoidal que aumenta la ductilidad, y se obtiene una fundición de grafito esferoidal.

Nota: El término grafitización designa también el tratamiento térmico que conduce a la precipitación de grafito en la fundición.