MANGANESO
Nombre: Manganeso
Símbolo: Mn
Grupo: 7
Período: 4
Bloque: d
Categoría: Metales de transición
Número atómico: 25
Masa atómica: 54,938 u
Electrones por capa: 2, 8, 13, 2
Electronegatividad: 1,55
Densidad: 7,47 gr/cc
Punto de Fusión: 1246ºC
Punto de Ebullición: 2061ºC
Conductividad Térmica: 7,7 W (m·K)
Conductividad Eléctrica: 620000 S/m
Orden Magnético: Paramagnético
Estado Ordinario: Sólido
Estados de Oxidación: -3, -2, -1, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7
Dureza Mohs: 6
Dureza Vickers: Sin datos
Dureza Brinell: 196 MPa
Isótopos más estables: Mn-55 (100%, elemento monoisotópico)
Descubridor: Johan Gottlieb Gahn, sueco (1774)
El Manganeso es un metal de transición de número atómico 25 de color gris-acero, quebradizo, químicamente parecido al Hierro, y relativamente abundante. Se utiliza siempre como aleante, en estado puro no tiene ninguna aplicación importante.
Características principales
Aunque existen menas definidas (ejemplo: pirolusita), el manganeso se extrae normalmente de la producción del hierro metal, ya que suele acompañarlo en su forma natural. La mayoría de los minerales que contienen hierro contienen también manganeso. Puede encontrarse también como sub-producto de la refinación del níquel o del aluminio. En cualquier caso, su obtención es “secundaria” respecto a la de un metal de mayor importancia, como el hierro, en este caso.
Es un metal muy frágil de color gris-acero que pierde su lustre con rapidez. De entre todos los metales (sean o no de transición) es el peor conductor térmico y uno de los peores conductores eléctricos. Su resistencia a la corrosión es peor que la del hierro: aunque se pasiva al aire libre y es moderadamente resistente al agua dulce, se ataca fácilmente con todos los ácidos (oxidantes y reductores por igual) así como las bases. A pesar de su relativamente bajo punto de fusión, funde vigorosamente (debido a la oxidación), por lo que suele agregarse en estado sólido (ya sea el metal puro o uno de sus óxidos) al metal base en estado líquido. Debido a su fragilidad nunca se usa como metal base, sin embargo, su importancia en el campo de la metalurgia es muy grande, ya que como aleante posee una amplísima gama de virtudes que mejoran las propiedades de las aleaciones donde se añade como aleante. Una de sus virtudes es que es soluble en todos los metales importantes del período cuatro (hierro, cobre, cobalto y níquel). Es el único metal “ferroso” que muestra cierta afinidad por el aluminio.
Apariencia
Es un metal “feo” desde el punto de vista estético. A ojos de un inexperto, parece hierro común corroído (escoria/herrumbre), sin embargo, puede diferenciarse de éste último debido a la facilidad con la que se quiebra (basta con usar la presión de los dedos para romper un fragmento). Al tacto es rugoso y tiene una fractura “vítrea” al romper. Es de un color opaco poco atractivo que se ennegrece rápidamente, si bien es posible almacenarlo al aire libre (exposición al oxígeno) si no hay humedad presente. En ocasiones, y si se ha sometido a un tratamiento térmico, puede presentar el fenómeno del paramagnetismo (atrae objetos ferrosos). Se comercializa en forma de virutas, lascas o polvo industrial. No es caro.
Uso como aleante
A pesar de su apariencia de “escoria”, el manganeso es el aleante ideal, y su uso es indispensable en la industria metalúrgica. Virtualmente, todas las aleaciones de aluminio, acero, acero inoxidable, bronces de alto rendimiento y superaleaciones de níquel y cobalto contienen manganeso entre un 0.1 y un 2%, si bien en algunos casos, como por ejemplo el Bronce al manganeso/Manganin (utilizado en resistores) pueden contener grandes cantidades (hasta un 20% o más de este metal).
En un principio, el manganeso se añade a la aleación como desoxidante en el momento de la colada. Ningún elemento químico, ni siquiera el silicio o el aluminio, actúan en este sentido mejor que el manganeso, ya que su habilidad para combinarse con los demás metales es excelente. Una de sus ventajas sobre los elementos previamente mencionados es que al juntarse en estado líquido con el hierro fundido, fija el azufre presente en la masa formando sulfatos volátiles más estables que los formados por el hierro y que se pierden en el momento de el enfriamento, reduciendo así el efecto perjudicial del azufre en la masa del acero.
Como aditivo en los aceros al carbono (entre un 0.1% y un 0.8%)
El manganeso se añade a la mezcla porque otorga tenacidad, reduce el tamaño del grano y evita las porosidades indeseables en todo acero de calidad al combinarse (como metal de sacrificio) con el oxígeno y el azufre para “limpiar” los gránulos de ferrita de dichas impurezas. La afinidad manganeso – hierro es excelente y ambos metales entran en fusión con facilidad, de hecho, el manganeso suele añadirse a la colada en estado sólido (ya sea el metal puro o su óxido) ya que se disuelve en el hierro líquido. Todos los aceros modernos contienen manganeso como resultado del proceso de fabricación en sí mismo.
En los aceros inoxidables no austeníticos
Cuando hablamos de aceros ferríticos y martensíticos o incluso dúplex y el papel del manganeso no responde a la intención de formar la estructura cristalina conocida como austenita, su función es exactamente la misma que en el caso de los aceros al carbono, es decir, actúa como desoxidante en el momento de la colada (no confundir este término con el hecho de que el acero sea “inoxidable”). Como efecto secundario, reduce el tamaño del grano (lo cual aumenta la tenacidad).
En los aceros inoxidables austeníticos basados en el níquel (AISI 304, 316, 316L, etc)
Los aceros austeníticos más comunes, AISI 304 y 316 llevan un 2% de manganeso en masa debido no sólamente a su papel como elemento desoxidante, sino también porque ayuda a -fijar- la austenita. Es un elemento “gammágeno” que aumenta la tenacidad y reduce el tamaño del grano. La presencia del manganeso en estos aceros no aumenta ni disminuye la resistencia a la corrosión de la aleación.
En los aceros inoxidables austeníticos basados en el manganeso (ejemplo: AISI 201)
El manganeso puede reemplazar al níquel hasta cierto punto cuando se busca estabilizar la austenita a temperatura ambiente en aceros inoxidables de perfil bajo. Aunque estos aceros tuvieron su auge como resultado de la escasez del níquel durante la Segunda Guerra Mundial, hoy en día son menos utilizados, si bien es cierto que dentro de toda la familia de aceros austeníticos, siguen siendo la alternativa más barata. Se ha llegado a decir que la tenacidad de estos aceros con bajo contenido de níquel son más tenaces que los tradicionales (Ejemplo: AISI 304), si bien esto no está del todo claro, se sabe que su resistencia a la corrosión es menor. En cualquier caso, la llamada “serie 200” que comprime los grados 201, 204 etc, no deja de tener algo de níquel en masa. Esto se debe a que, si bien el manganeso puede estabilizar la austenita en el acero al carbono, la presencia de cromo y molibdeno en los aceros inoxidables requieren del uso del níquel debido a su tendencia a desestabilizar la estructura austenítica: son alfágenos poderosos.
Aceros no inoxidables austeníticos (Mangalloy, Acero Hadfield)
Una propiedad curiosa del manganeso es que si se añade en un porcentaje cercano al 12% al acero común (no inoxidable) y se le da el tratamiento térmico correcto, se puede conseguir estabilizar la estructura austenítica, consiguiendo así una aleación no magnética, dura (más dura que el acero dulce), capaz de trabajar a bajas temperaturas, muy tenaz, y con una gran resistencia al impacto.
Se utiliza en partes mecánicas que necesiten de una combinación de gran tenacidad (típica de los aceros austeníticos) más la resistencia a la abrasión que proporciona la presencia del manganeso en la masa. Estos aceros son de gran calidad y aunque no suelen encontrarse comúnmente, se utilizan, por ejemplo, para la fabricación de cuadros de bicicletas y partes mecánicas sometidas a gran estrés mecánico. La aleación Mangalloy ha sido descrita como la perfecta combinación entre dureza y tenacidad.
El manganeso como aleante en el cobalto y el níquel
Además de su presencia en las llamadas superaleaciones, el manganeso puede alearse con el cobalto y el níquel para buscar una mejora en las propiedades de ambos metales por separados o en aleaciones magnéticas experimentales. Cuando el manganeso se añade al cobalto en una proporción entre el 10-30%, éste adquiere gran ductilidad, rompiendo así el mito de que dos metales de naturaleza quebradiza sólo pueden formar una aleación quebradiza si mezclados entre sí. Su uso, no obstante, es más bien limitado, y los dos metales suelen aparecer juntos como aleantes en herramientas de corte, explotando su dureza, más que su resistencia al impacto.
La mezcla con el níquel es aún menos frecuente (salvo algunas excepciones como el Manganin), y aunque el manganeso eleva la dureza y tenacidad de éste último, no existen claros ejemplos de combinaciones específicas de ambos metales sin la presencia de uno tercero (frecuentemente, cobre). En cualquier caso, el manganeso destaca por su excelente compatibilidad con los metales ferrosos, y se puede alear con ellos en casi cualquier porcentaje.
El manganeso como sustituto del níquel
Debido a que ambos metales se parecen en sus funciones aleantes y a que el manganeso es más barato que el níquel, mucho se ha investigado para reemplazarlo con más o menos éxito. Cabe destacar que una vez combinado en una aleación, posee algunas propiedades que recuerdan a las del níquel. Aunque ambos metales son muy distintos entre sí cuando puros y por separado, se asemejan en varias cosas una vez aleados a un metal base (ya sea hierro, cobre, cobalto, etc).
El manganeso como ingrediente alternativo de la alpaca (plata alemana)
Es posible fabricar objetos que recuerden al brillo de la plata esterlina a partir de cobre y manganeso y un tercer metal, frecuentemente zinc o níquel, aunque se recomienda este último por su superioridad. La composición química puede variar enormemente, todo depende de lo que busque el artesano. Para mayor ductilidad, agregar la menor cantidad de manganeso posible, para mayor durabilidad, agregarlo hasta en un 20%.
El manganeso como principal aleante en el bronce (Bronce al Manganeso)
Los bronces al manganeso son duros, tenaces, y a diferencia de la gran mayoría de bronces nominales, tienen valores de conductividad térmica y eléctrica mucho menores a la mayoría de aleaciones de cobre. Un ejemplo típico es el Manganin: Cobre 82%, Manganeso 12%, Níquel 2%. Se usa en resistores. Cabe mencionar que la resistencia química de los bronces al manganeso no son muy buenas, y pierden su lustre con facilidad. Otro fenómeno característico de estas aleaciones es que producen colores blancos.
En el Oro blanco
Se puede usar como substituto del Níquel para fabricar Oro blanco debido a que no forma reacciones alérgicas. Son aleaciones duras, tenaces, pero poco maleables. La adición de Zinc y/o Plata es prácticamente obligatoria para aumentar la facilidad con la que el artesano trabaja la joya.
Miscelánea
-El manganeso es un agente gammágeno, lo cual significa que en cantidades cercanas al 10% (o superior) fija la estructura cristalina austenita en la masa. Es el más importante después del níquel entre los metales de transición industriales para este propósito, y aunque los aceros austeníticos hechos a partir de manganeso no tienen la misma resistencia química que los hechos a partir de níquel, ofrecen un rendimiento aceptable, además de una dureza ligeramente mayor a un coste reducido.
-También se utiliza en el Bronce de Aluminio para fijar la fase alfa.
-En joyería y bisutería, el manganeso es un blanqueante poderoso: con un 20% en masa basta para darle al cobre un tono argénteo (similar al cuproníquel). También es posible utilizarlo como blanqueante para forjar oro blanco.
-El manganeso puede alearse con casi cualquier metal, incluyendo a algunos del grupo del estaño (bloque p). Con los metales de transición la solubilidad es excelente. Un detalle importante es que el manganeso, a diferencia de el hierro y el cobalto, se diluye en cobre fundido y tiene cierta afinidad por la plata. En efecto, en plena Segunda Guerra Mundial, el Banco Central de los Estados Unidos cambió la fórmula química de su famoso nickel (moneda de cinco céntimos compuesta por cobre y un 25% de níquel) por una combinación de 56% Cobre, 35% Plata y 9% Manganeso, la cual imitaba el peso y lustre de la composición original.
-Es el peor conductor térmico, y uno de los peores eléctricos.
Caso Titanic
A principios del siglo XX, la calidad de los aceros no era igual a la de hoy en día. El control sobre las composiciones químicas y los tratamientos térmicos eran muy inferiores. El archiconocido buque correo RMS Titanic es un lúgubre ejemplo de esto. El barco más grande y lujoso de su época fue construido con un acero de grado 2 entre 3, por así decirlo. El proveedor tenía tres grados “de alta gama”. Grado 3, “Regular”, grado 2 “Best” y grado 1, “Best Best” o simplemente “Better” (no está del todo claro la terminología). Se utilizó el segundo grado en términos de calidad, si bien no hay un acuerdo acerca de si el problema fue causado por la debilidad de los remaches o de las planchas de acero (que componían la quilla). Algunos dicen que las planchas eran quebradizas, y estando el agua a semejante temperatura (varios grados bajo cero) se fragilizaron tanto que fallaron estrepitosamente ante el impacto con el iceberg, otros sostienen que el acero de las planchas era bueno y fueron los remaches los que cedieron ante la violencia del contacto. En cualquier caso, los metalúrgicos que han estudiado el caso coinciden en la negligencia del fabricante al utilizar un acero con alto contenido en azufre. Para el no entendido, el azufre es el cáncer del acero. Ningún otro elemento, ni siquiera el fósforo, es más perjudicial. Básicamente lo vuelve frágil, y esta fragilidad aumenta conforme la temperatura baja. El manganeso se añade al acero en estado líquido porque ayuda a “limpiar” el azufre, formando sulfuros/atos con el elemento menos estables que los producidos con el hierro, evitando así su propagación y daño. Tanto si fueron las planchas como los remaches que las unían, el buque habría respondido de una manera distinta en caso de usarse un buen acero moderno, cosa que para la época, era imposible.