LUIGI CALIGARIS STEFANO FAVA CARLO TOMASELLO. STA - Scienze e Tecnologie Applicate MECCANICA, MECCATRONICA ED ENERGIA HOEPLI

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1 STA - Scienze e Tecnologie Applicate LUIGI CALIGARIS STEFANO FAVA CARLO TOMASELLO MECCANICA, MECCATRONICA ED ENERGIA HOEPLI

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3 I luigi caligaris stefano fava carlo tomasello STA - Scienze e Tecnologie Applicate MeccAnicA, MeccATronicA ed energia editore Ulrico Hoepli milano

4 UN TESTO PIÙ RICCO E SEMPRE AGGIORNATO Nel sito sono disponibili: materiali didattici integrativi; eventuali aggiornamenti dei contenuti del testo. Copyright Ulrico Hoepli Editore S.p.A Via Hoepli 5, Milano (Italy) tel fax hoepli@hoepli.it Tutti i diritti sono riservati a norma di legge e a norma delle convenzioni internazionali

5 III Indice Presentazione... V modulo A materiali di interesse industriale 1 Verifica dei Prerequisiti, 2 unità A1 Caratteristiche dei materiali e leghe del ferro... 3 A1.1 I materiali: generalità, 3 A1.2 Proprietà dei materiali, 4 Proprietà fisiche, 4 Proprietà meccaniche, 7 Proprietà tecnologiche, 8 A1.3 Ferro e sue leghe, 10 Materie prime, 12 Altoforno, 12 A1.4 La ghisa, 13 Tipi di ghisa e loro designazione, 14 A1.5 L acciaio, 15 Convertitori Bessemer e Tomas, 15 Convertitore a ossigeno, 15 Forno Martin-Siemens, 16 Forno elettrico ad arco, 16 Semilavorati di acciaio, 17 Classificazione e applicazioni degli acciai, 17 Designazione degli acciai UNI EN e UNI EN 10025, 18 A1.6 Trattamenti termici delle leghe del ferro, 19 Ciclo termico, 19 Principali trattamenti termici, 20 Trattamenti termochimici, 21 esercitazione guidata a1.1, 22 Verifica degli obiettivi di unità, 23 unità A2 Materiali speciali e loro utilizzo A2.1 Materiali metallici non ferrosi, 24 Generalità, 24 Rame e sue leghe: bronzo e ottone, 24 Alluminio e sue leghe leggere, 26 Magnesio e sue leghe ultraleggere, 26 Cromo e nichel, 26 Stagno e sue leghe, 27 Piombo e sue leghe, 27 Titanio e sue leghe, 27 Metalli radioattivi, 27 Materiali sinterizzati, 28 A2.2 Legno, resine, materie plastiche, gomme e materiali compositi, 28 Legno, 28 Resine, 30 Materie plastiche, 30 Gomme, 32 Materiali compositi, 33 A2.3 Materiali nelle tecnologie elettriche ed elettroniche, 34 Tecnologia elettrica, 34 Tecnologia elettronica, 36 A2.4 Materiali per l edilizia, 39 Pietre naturali, 40 Laterizi, 41 Materiali cementanti, 41 esercitazioni guidate a2.1 - a2.4, 43 Verifica degli obiettivi di unità, 47 Verifica degli obiettivi di modulo, 48 modulo B misurazione e controllo 49 Verifica dei Prerequisiti, 50 unità B1 Metrologia B1.1 Le basi della metrologia, 51 Generalità, 51 Sistemi e unità di misura, 52 Sistema Internazionale di misura (SI) CNR-UNI 10003, 52 Multipli e sottomultipli decimali, 52 Unità non SI di uso più frequente, 54 Metro e righe millimetrate, 54 B1.2 Errori nelle misurazioni, 55 Definizione di errore, 55 B1.3 Strumenti campione, 58 B1.4 Strumenti di misura di lunghezza, 61 Metro e righe millimetrate, 61 Nonio, 63 Calibro a corsoio, 64 Micrometro a vite, 66 Comparatore, 67 Goniometro universale a nonio, 68 Attrezzature complementari, 69 esercitazioni guidate b1.1 - b1.4, 72 Verifica degli obiettivi di unità, 76 unità B2 Misurazioni di laboratorio B2.1 Strumenti speciali e macchine di misura, 77 Multimetro Misura della corrente, 77 Istruzioni operative per le misure, 78 Oscilloscopio Misura delle forme d onda, 79 Termocoppia Misura della temperatura, 79 Manometro Misura della pressione, 80 Macchine di misura Certificazione del prodotto, 81 B2.2 Prove meccaniche sui materiali metallici, 81 Prova di resistenza a trazione, 81 Prova a compressione, 82 Prova a flessione, 83 Prova di resilienza Charpy, 84 Prova di durezza, 85 esercitazioni guidate b2.1 - b2.11, 89 Verifica degli obiettivi di unità, 100 Verifica degli obiettivi di modulo, 101 modulo c lavorazione dei materiali 103 Verifica dei Prerequisiti, 104 unità C1 Lavorazioni al banco e alle macchine utensili C1.1 Le lavorazioni: generalità, 105 Lavorazioni a caldo, 106 Lavorazioni a freddo, 106 C1.2 Lavorazioni al banco, 106 Tracciatura, 107 Limatura, 108 Taglio a mano mediante seghetto, 110 Ciclo di lavorazione, 111 Foratura, 114 Alesatura al banco, 116 Filettatura a mano, 117 C1.3 Lavorazioni alle macchine utensili, 119 Generalità, 119 Tornitura, 119 Fresatura, 125 Affilatura e rettificatura, 129 esercitazioni guidate c1.1 - c1.5, 130 Verifica degli obiettivi di unità, 135 unità C2 Lavorazioni senza asportazione di truciolo e sistemi di giunzione C2.1 Lavorazioni per deformazione plastica, 136 Processi produttivi, 136 Processi di lavorazione della lamiera, 138 C2.2 Saldatura, 142 Generalità, 142 Saldatura a gas ossiacetilenica, 142 Saldatura elettrica ad arco, 143 C2.3 Collegamenti, 144 Collegamenti amovibili, 144 Collegamenti fissi, 149 esercitazioni guidate c2.1 - c2.4, 150 Verifica degli obiettivi di unità, 154 Verifica degli obiettivi di modulo, 155

6 IV modulo d sicurezza e salute 157 Verifica dei Prerequisiti, 158 unità D1 Elementi di antinfortunistica e territorio D1.1 Elementi di antinfortunistica, 159 Salute, sicurezza ed ergonomia, 159 D1.2 Primo soccorso e pronto soccorso, 162 Prima regola: Non nuocere, 162 Seconda regola: Garantire la sicurezza, 162 Terza regola: Attivare il pronto soccorso, 163 D1.3 Barriere architettoniche, 163 D1.4 Pianificazione territoriale, 165 Compatibilità ambientale dell industria (risorse ed ecologia), 165 L urbanistica moderna, 168 Conservazione del patrimonio artistico-culturale e restauro, 169 esercitazione guidata d1.1, 171 Verifica degli obiettivi di unità, 172 unità D2 Legislazione sulla sicurezza D2.1 La legislazione antinfortunistica, 173 D2.2 Segnaletica antinfortunistica, 174 D2.3 Sicurezza nell attività lavorativa, 177 Lavorazioni al banco con la lima, 177 Lavorazioni al banco di tracciatura e bulinatura, 177 Lavorazioni al trapano, 177 Lavorazioni alle macchine utensili, 178 Lavorazioni della lamiera, 178 Operazioni di saldatura, 179 D2.4 Il rischio elettrico e il pericolo incendio, 179 Il rischio elettrico, 179 Il pericolo incendio, 180 Norme di prevenzione incendi, 181 D2.5 Il Decreto Legislativo 81/2008 e successive modifiche, 183 Generalità, 183 Obblighi del datore di lavoro, dei lavoratori e fonti di rischio, 183 Valutazione dei rischi, 184 Dispositivi di protezione individuale (DPI), 185 Informazione e formazione, 185 Uso di attrezzature munite di videoterminali (VDT), 186 Nuova Direttiva Macchine 2006/42/CE, 186 esercitazioni guidate d2.1 - d2.2, 187 Verifica degli obiettivi di unità, 189 Verifica degli obiettivi di modulo, 190 modulo e energia 191 Verifica dei Prerequisiti, 192 unità E1 Tipi di energia E1.1 Definizione di energia ed energia solare, 193 Energia: generalità, 193 Energia solare, 194 E1.2 Energia elettrica, 195 Generalità, 195 E1.3 Energia chimica, 195 Pile e accumulatori, 196 E1.4 Energia nucleare, 197 Fusione nucleare, 197 Fissione nucleare, 197 Verifica degli obiettivi di unità, 198 unità E2 Produzione e utilizzo dell energia E2.1 Centrali elettriche, 199 Generalità, 199 Centrali idroelettriche, 200 Centrali termoelettriche a carbone, 200 Centrali termoelettriche a gasolio e a gas, 201 Generatori elettrici e motori, 201 Turbine, 203 E2.2 Trasformazione e trasporto dell energia elettrica, 205 E2.3 Centrali nucleari, 206 E2.4 Teleriscaldamento, 206 esercitazioni guidate e2.1 - e2.2, 209 Verifica degli obiettivi di unità, 211 Verifica degli obiettivi di modulo, 212 modulo F AutomAzione industriale 213 Verifica dei Prerequisiti, 214 unità F1 Pneumatica e oleodinamica F1.1 Tecnologie pneumatiche, 215 Produzione dell aria compressa, 215 Reti di distribuzione e regolazione dell aria, 216 Schemi pneumatici, 218 Operatori logico-pneumatici, 220 F1.2 Tecnologie oleodinamiche, 222 Principio di Pascal, 223 Conservazione della massa, 224 Fluidi idraulici, 224 Sistemi oleodinamici, 225 Produzione di energia, 225 Organi di regolazione del moto, 226 Attuatori oleodinamici, 227 Verifica degli obiettivi di unità, 229 unità F2 Automazione e robotica F2.1 Macchine a Controllo Numerico, 230 La tecnologia del Controllo Numerico, 230 Macchine utensili a Controllo Numerico, 231 Programmazione manuale, 232 Programmazione automatica CAM, 234 F2.2 Robotica, 235 Tipologie di robot, 235 Controllo e programmazione dei robot, 238 esercitazione guidata f2.1, 239 Verifica degli obiettivi di unità, 240 Verifica degli obiettivi di modulo, 241 modulo g AziendA e sua dimensione organizzativa 243 Verifica dei Prerequisiti, 244 unità G1 L impresa G1.1 L organizzazione industriale, 245 Evoluzione storica, 245 I primi modelli organizzativi, 246 I modelli organizzativi successivi, 247 G1.2 Forme giuridiche dell impresa, 247 Impresa individuale, 248 Società, 248 Le cooperative, 249 G1.3 Le funzioni aziendali, 249 G1.4 Strutture organizzative dell azienda, 250 esercitazione guidata g1.1, 252 Verifica degli obiettivi di unità, 253 unità G2 Documentazione e qualità G2.1 Il flusso di informazioni, 254 G2.2 Sistemi di riproduzione e archiviazione, 256 Riproduzione di documenti e disegni, 256 Archiviazione di documenti, 258 Archivi elettronici, 259 Custodia e difesa degli archivi, 260 G2.3 La qualità, 261 Cenni storici, 261 Cosa si intende per qualità, 262 Le norme del Sistema di Gestione per la Qualità, 263 Il Sistema di Gestione per la Qualità, 264 esercitazione guidata g2.1, 268 Verifica degli obiettivi di unità, 269 Verifica degli obiettivi di modulo, 270

7 V Presentazione L opera costituisce un corso completo della materia Scienze e tecnologie applicate per il secondo anno dell indirizzo Meccanica, meccatronica ed energia degli Istituti tecnici, settore tecnologico. Il testo, articolato in sette moduli, è nato con l obiettivo di introdurre alla cultura della tecnologia, che verrà poi sviluppata nel successivo triennio, e di fornire un approccio al mondo della produzione attraverso lo studio dei materiali, degli strumenti di misura, dei processi produttivi e dell organizzazione industriale. I contenuti e l articolazione sono stati impostati e scelti in modo da rispettare l acquisizione delle competenze previste dai nuovi programmi ministeriali. I sette moduli, strutturati ognuno in due unità didattiche, sono stati progettati e realizzati in modo da consentire un loro uso sia sequenziale sia indipendente, permettendo la scelta di percorsi didattici alternativi. Ogni modulo si apre con l indicazione delle unità didattiche che lo compongono, dei prerequisiti necessari all apprendimento e degli obiettivi didattici e continua con una verifica dei prerequisiti, costituita da una serie di prove strutturate. Ogni unità presenta la pianificazione didattica dell unità con gli obiettivi e i contenuti. I contenuti, scanditi in paragrafi, costituiscono i segmenti fondamentali del percorso didattico. La trattazione, semplice e funzionale, è ricca di riferimenti normativi ed esempi contestuali. Diverse esercitazioni guidate, fornite di possibili procedure risolutive e di fonti di consultazione, consentono all allievo di acquisire e consolidare le abilità di base. Alla fine di ogni unità è collocata una verifica di unità, consistente in una serie di prove a scelta multipla e di esercizi di completamento, finalizzata a valutare la preparazione sugli argomenti affrontati. Ciascun modulo si chiude con una verifica di modulo che ha lo scopo di testare l acquisizione di competenze specifiche, attraverso l applicazione ragionata di quanto appreso nelle unità. Nel modulo A, Materiali di interesse industriale, sono presi in esame gli elementi di base dei materiali metallici ferrosi e dei materiali non ferrosi. Per quanto riguarda i materiali ferrosi, vengono trattate le proprietà dei materiali, il ferro e le sue leghe, le ghise, gli acciai e i trattamenti termici. Relativamente ai materiali non ferrosi, vengono trattati il legno, le resine, le materie plastiche, le gomme e i materiali compositi. Si propongono, inoltre, elementi di base relativi all uso dei materiali nelle tecnologie elettriche ed elettroniche e nell edilizia. Il modulo B, Misurazione e controllo, affronta nella prima unità le basi della metrologia, gli errori di misurazione, gli strumenti campione e gli strumenti di misura della lunghezza. Nella seconda unità vengono presentati gli strumenti e le macchine speciali di misura e le prove meccaniche sui materiali metallici. Nel modulo C, Lavorazione dei materiali, vengono trattate le lavorazioni dei materiali. In particolare, nella prima unità si affrontano le lavorazioni al banco e lo studio di base delle macchine utensili. Nella seconda unità vengono presentate le lavorazioni per deformazione plastica, le saldature e i collegamenti. Il modulo D, Sicurezza e salute, introduce gli elementi di antinfortunistica e presenta la legislazione relativa alla sicurezza. In particolare, nella prima unità si trattano salute, sicurezza, ergonomia, elementi di primo soccorso, barriere architettoniche e informazioni sulla pianificazione del territorio. Nella seconda unità si affrontano elementi di legislazione antinfortunistica, sicurezza negli ambienti di lavoro, rischio elettrico, pericolo di incendio e viene presentato anche il DLgs 81/2008.

8 VI Il modulo E, Energia, introduce nella prima unità le diverse forme di energia: solare, elettrica, chimica e nucleare; nella seconda le centrali elettriche, la trasformazione e il trasporto dell energia elettrica, le centrali nucleari e il teleriscaldamento. Nel modulo F, Automazione industriale, vengono affrontati gli elementi di base dell automazione industriale. In particolare, nella prima unità si propongono le tecnologie pneumatiche e oleodinamiche, mentre nella seconda vengono introdotti elementi di Controllo Numerico e di robotica. Il modulo G, Azienda e sua dimensione organizzativa, presenta gli elementi di base dell organizzazione industriale. Nella prima unità, infatti, si forniscono cenni storici di organizzazione, le forme giuridiche dell impresa, le funzioni aziendali e le strutture organizzative dell azienda; nella seconda si affrontano le problematiche relative al flusso delle informazioni, ai sistemi di riproduzione e archiviazione e alla qualità. Luigi Caligaris Stefano Fava Carlo Tomasello

9 modulo a materiali di interesse industriale A1 Caratteristiche dei materiali e leghe del ferro A2 Materiali speciali e loro utilizzo Prerequisiti Conoscenze I simboli chimici dei principali elementi La tecnica di rappresentazione a blocchi Abilità Interpretare formule chimiche Descrivere le differenze principali tra metalli e non metalli Interpretare reazioni chimiche Descrivere le reazioni di ossidazione Obiettivi Conoscenze I fondamenti della struttura della materia Le proprietà dei materiali Abilità Riconoscere i principali materiali di interesse industriale Descrivere le principali caratteristiche dei materiali metallici e non metallici in relazione alle tipologie di impiego Competenza di riferimento Individuare le proprietà dei materiali, i relativi impieghi, i processi produttivi e i trattamenti

10 modulo A verificadeiprerequisiti 1. Dare la definizione di atomo (max 20 parole). 2. Il numero atomico corrisponde al numero di protoni contenuto nel nucleo di un atomo? Vero Falso 3. Il numero di massa atomica si ottiene sommando il numero di... e il numero dei contenuti nel nucleo atomico. 4. Dare la definizione di molecola (max 30 parole). 5. Assegnare a ogni simbolo il relativo elemento chimico. a. H... d. Al... b. Li... e. Cu... c. K... f. Hg Assegnare a ogni elemento il relativo simbolo chimico. a. Ferro... d. Potassio... b. Elio... e. Azoto... c. Argento... f. Piombo Descrivere la differenza fra un elemento metallico e uno non metallico (max 30 parole). 8. Il carbonio è un metallo. Vero Falso 9. Completare le seguenti formule di reazione chimica. a. Cu + S... d. 2Ca + O 2... b. Na + Cl... e. P 2 O 3 + H 2 O... c. C + O 2... f. P 2 O 3 + 2H 2 O Indicare il nome dei seguenti composti chimici. a. FeO... d. H 2 SO 4... b. NaCl... e. HgCl... c. CO 2... f. NaHSO Scrivere la formula chimica dei seguenti composti. a. Acqua... b. Ossido di carbonio... c. Metano... d. Ammoniaca Definire la radioattività (max 30 parole). 13. I due principali componenti dell atmosfera sono l... e l Una reazione endotermica avviene con emissione di calore. Vero Falso 15. Indicare il significato della forma delle caselle utilizzate in un diagramma di flusso. a. Ellisse... b. Parallelogramma... c. Rettangolo... d. Rombo...

11 UNITÀ a1 CaratteristiCHe dei materiali e leghe del FerrO 3 ObIeTTIVI conoscenze Le principali proprietà dei materiali Le fasi fondamentali del processo siderurgico Abilità Descrivere le caratteristiche chimiche e tecnologiche dei principali materiali Descrivere le fasi fondamentali del processo siderurgico Riconoscere i principali trattamenti termici e i loro effetti CONTeNUTI a1.1 I materiali: generalità a1.2 Proprietà dei materiali a1.3 Ferro e sue leghe a1.4 La ghisa a1.5 L acciaio a1.6 Trattamenti termici delle leghe del ferro A1.1 i materiali: generalità La conoscenza delle caratteristiche dei materiali d uso più comune rende possibile la loro applicazione nelle diverse costruzioni, in modo corretto ed economico. La tecnologia è la scienza che studia i materiali, la composizione, le caratteristiche, le lavorazioni necessarie per le trasformazioni e il loro impiego. I materiali, dal punto di vista della composizione, si possono suddividere in tre grandi famiglie [fig. A1.1]: materiali naturali: sono quelli che vengono utilizzati così come si trovano in natura (pietre, sabbia, legno, lana ecc.); materiali naturali modificati: sono quelli che conservano inalterata la loro composizione interna ma sono parzialmente trasformati dall uomo nella forma e nelle caratteristiche (legno compensato, pelle conciata, tessuto, benzina, rame ecc.); materiali artificiali: sono quelli la cui composizione è completamente nuova perché ottenuta attraverso particolari processi di trasformazione (cemento, carta, leghe metalliche, gomma, plastica, tessuti acrilici ecc.). Considerando, invece, le caratteristiche di comportamento più appariscenti, si possono dividere i materiali in quattro categorie [fig. A1.2]: metalli: sono solidi a temperatura ambiente (eccetto il mercurio), buoni conduttori di calore e di elettricità, lucenti, opachi alla luce, deformabili, resistenti a sollecitazioni esterne; per esempio: ferro, argento, oro, nichel, cromo, cobalto, zinco, piombo ecc.; NATURALI Esistenti in natura COMPOSIZIONE DEI MATERIALI NATURALI MODIFICATI Parzialmente modifcati ARTIFICIALI Completamente nuovi a1.1 Suddivisione dei materiali in base alla loro composizione.

12 4 modulo A Materiali di interesse industriale non metalli: sono generalmente di struttura amorfa o gassosa, cattivi conduttori di calore ed elettricità, poco resistenti a sollecitazioni esterne; per esempio: zolfo, fosforo, azoto, ossigeno ecc.; leghe: sono ottenute mediante l unione di più elementi; esse presentano delle caratteristiche migliori degli elementi di partenza; per esempio: ottone (rame e zinco), bronzo (rame e stagno), acciaio (ferro e carbonio) ecc.; miscugli: sono costituiti dalla miscela di più elementi ciascuno dei quali conserva le caratteristiche originali; per esempio: granito (minerali, sabbia e legante), calcestruzzo (cemento, sabbia, ghiaia ecc.). COMPORTAMENTO DEI MATERIALI a1.2 Suddivisione dei materiali in base alle caratteristiche di comportamento. Nella scelta del materiale da utilizzare per costruire un oggetto occorre considerare i seguenti fattori: proprietà: sono caratteristiche di ogni materiale e devono garantire la funzionalità dell oggetto; trasformazioni: servono a soddisfare le esigenze imposte dal progetto; costo: deve essere in rapporto al valore del prodotto finito. Il costo di mercato del materiale incide sempre di meno nella determinazione del valore del prodotto finito, essendo elevato il costo della manodopera e delle attrezzature quasi sempre automatizzate (valore aggiunto). A1.2 proprietà dei materiali METALLI NON METALLI LEGHE MISCUGLI Tutti i materiali hanno delle proprietà caratteristiche che li differenziano notevolmente. La conoscenza di queste ultime consente di utilizzare il materiale più idoneo a ogni specifica applicazione. Le proprietà dei materiali possono essere così classificate [fig. A1.3]: chimiche: riguardano la composizione chimica del materiale e la sua struttura interna; fisiche: esprimono le caratteristiche legate alla natura stessa del materiale e al suo comportamento in relazione agli agenti esterni, quali il calore, la gravità, l elettricità; meccaniche: si riferiscono alla capacità del materiale di resistere alle sollecitazioni (insieme dei carichi esterni) a cui viene sottoposto durante il suo impiego, come pressione, trazione, flessione, compressione, urti e taglio; tecnologiche: rappresentano l attitudine del materiale a essere trasformato mediante lavorazione. proprietà fisiche temperatura di fusione (t f ) Si definisce temperatura di fusione (t f ) la temperatura alla quale, per un determinato materiale, si verifica il passaggio dallo stato solido a quello liquido. In base a questa caratteristica i materiali si dividono nelle seguenti categorie: refrattari: sono quelli per i quali la temperatura di fusione risulta superiore a 2000 C; per esempio: leghe metalliche speciali, ceramiche, refrattari silicoalluminati, refrattari magnesiaci ecc.; normali: materiali con temperatura di fusione compresa fra 500 e 2000 C; per esempio: ferro, ghisa, acciaio, rame, alluminio ecc.; basso fondenti: materiali con temperatura di fusione inferiore a 500 C; per esempio: piombo, stagno ecc. Nella tabella A1.1 sono riportate le temperature di fusione, alla pressione atmosferica, dei principali materiali. Massa volumica (M v ) Si definisce massa volumica (M v ) il rapporto fra la massa di un corpo, espressa in kg, e il suo volume espresso in m 3. massa kg M v = = volume m 3 Prima dell introduzione del Sistema Internazionale di misura (SI), la massa volumica (M v ) veniva chiamata peso specifico. Nella pratica di laboratorio spesso si utilizza la massa volumica espressa in kg/dm 3 = 10 3 kg/m 3. La tabella A1.2 riporta il valore della massa volumica dei principali materiali. Sono chiamate leghe leggere quelle a base di alluminio con massa volumica inferiore a 4000 kg/m 3 e leghe ultraleggere quelle a base di magnesio con massa volumica inferiore a 2000 kg/m 3.

13 Caratteristiche dei materiali e leghe del ferro unità A1 5 CHIMICHE Ossidazione Corrosione PROPRIETÀ DEI MATERIALI FISICHE MECCANICHE Temperatura di fusione Massa volumica Capacità termica massica Dilatazione termica Resistenza alla deformazione Resilienza Resistenza a fatica Durezza Resistenza all'usura TECNOLOGICHE Fusibilità, saldabilità Truciolabilità, plasticità Malleabilità, duttilità Estrudibilità, imbutibilità Piegabilità ecc. a1.3 Proprietà caratteristiche dei materiali. TAbellA A1.1 temperatura di fusione t f dei principali materiali Materiale t f [ C] Materiale t f [ C] Materiale t f [ C] Acciaio ~1500 Ghisa ~1300 Piombo 327 Alluminio 658 Ferro 1535 Platino 1772 Antimonio 630 Magnesio 651 Rame 1083 Argento 960 Mercurio 38,87 Silicio 1420 Bronzo ~950 Nichel 1455 Stagno 232 Carbonio >1600 Oro 1063 Tungsteno 3380 Cromo 1800 Ottone ~900 Zinco 419,4 TAbellA A1.2 Massa volumica M v [kg/m 3 ] dei principali materiali Materiale M v Materiale M v Materiale M v Acciaio 7850 Gomma dura 1200 Piombo Alluminio 2700 Laterizi comuni 2000 Platino Argento 8500 Legno di abete 450 Rame commerciale 8900 Bachelite 1300 Legno di pino 545 Sabbia secca 1500 Bronzo 8000 Legno di quercia 850 Stagno 7280 Calcestruzzo armato 2400 Magnesio 1750 Terreno secco 2580 Carbone coke 600 Mercurio Titanio 4500 Ceramica 2400 Nichel 8800 Tungsteno Ferro 7860 Oro Vetro 2400 Ghisa 7250 Ottone 8500 Zinco 7100

14 6 modulo A Materiali di interesse industriale capacità termica massica (C tm ) Si definisce capacità termica massica (C tm ), a volte detta anche calore specifico (C s ), la quantità di calore, espressa in J, necessaria per innalzare di 1 C la massa di 1 kg di sostanza. calore J C tm = = intervallo di temperatura. massa C. kg Il valore della capacità termica massica varia in funzione della temperatura. Nella tabella A1.3 sono riportati i valori medi, nell intervallo di temperatura da 0 a 100 C, per i principali materiali. Dilatazione termica (α) Si definisce dilatazione termica l attitudine dei materiali di variare il proprio volume al cambiare della temperatura. Nel caso di solidi con una dimensione prevalente sulle altre (fili, barre ecc.), la dilatazione più significativa è quella che si verifica lungo l asse più lungo e viene detta dilatazione lineare [fig. A1.4]. l i Barretta l _ f l i (Allungamento) (Lunghezza iniziale a temperatura t i ) l f (Lunghezza fnale a temperatura t f ) a1.4 Dilatazione termica lineare dei materiali. Si definisce coefficiente di dilatazione lineare (α) l incremento di lunghezza che subisce il materiale (l f l i ) rapportato alla lunghezza iniziale (l i ) e all aumento di temperatura (t f t i ): l f l i m 1 α = = = l i (t f t i ) m C C Nella tabella A1.4 sono riportati i valori medi dei coefficienti di dilatazione lineare dei principali materiali, calcolati nell intervallo di temperatura tra 0 e 100 C. TAbellA A1.3 capacità termica massica C tm [J/ c kg] dei principali materiali Materiale C tm Materiale C tm Materiale C tm Acciaio 519 Carbonio grafitico 1176 Ottone 377 Acqua 4186 Ghisa grigia 540 Piombo 134 Alluminio 938 Ferro 532 Rame 383 Argento 233 Nichel 515 Stagno 226 Bronzo 352 Oro 131 Zinco 385 TAbellA A1.4 coefficienti medi di dilatazione lineare α in un 1/ c nell intervallo c Materiale α 10 3 Materiale α 10 3 Materiale α 10 3 Acciaio 0,0120 Ferro 0,0123 Platino 0,0090 Alluminio 0,0237 Ghisa 0,0090 Rame 0,0166 Argento 0,0189 Manganese 0,0230 Stagno 0,0270 Cemento Portland 0,0140 Nichel 0,0130 Tungsteno 0,0043 Cromo 0,0080 Oro 0,0142 Vetro di quarzo 0,0005 Bronzo - Ottone 0,0180 Piombo 0,0290 Zinco 0,0270

15 Caratteristiche dei materiali e leghe del ferro unità A1 7 proprietà meccaniche Le proprietà meccaniche esprimono la capacità di un materiale di resistere alle azioni provocate dalle forze esterne che tendono a deformarlo. La capacità di contrasto che offre il materiale costituisce la sua caratteristica meccanica e può cambiare in funzione della forza applicata. Si elencano, ora, i diversi tipi di forze [fig. A1.5] per poter definire le corrispondenti caratteristiche meccaniche. Forze statiche: sono applicate in modo costante o variano lentamente nel tempo; per esempio: forze applicate a funi, a macchine di sollevamento [fig. A1.5a]. La capacità dei materiali di contrastare gli effetti delle forze statiche è detta resistenza alla deformazione. Forze dinamiche: sono applicate in tempi brevi (< 0,1 secondi, forze d urto); per esempio: martellatura all incudine, lavorazione al maglio [fig. A1.5b]. La capacità dei materiali di contrastare gli effetti delle forze dinamiche è detta resilienza. Forze periodiche: sono variabili periodicamente con un andamento che si ripete costantemente nel tempo e con frequenza elevata; per esempio: forze applicate alla biella del motore a scoppio [fig. A1.5c]. La capacità di resistere alle forze periodiche è detta resistenza a fatica. Forze concentrate: sono applicate in zone ristrette o puntiformi; per esempio: scalpellatura, punzonatura [fig. A1.5d]. La capacità dei materiali di contrastare gli effetti delle forze concentrate si chiama durezza. Forze di attrito: si manifestano tra le superfici di contatto di due corpi mobili, fra loro striscianti (attrito radente, fig. A1.5e) o rotolanti (attrito volvente, fig. A1.5f); per esempio: pattini a coltello, cuscinetto a sfere. La capacità dei materiali di contrastare le forze di attrito si chiama resistenza all usura. Le forze statiche applicate dall esterno ai corpi si chiamano carichi e generano, nel loro interno, un insieme di sollecitazioni che tendono a deformarli. Prendendo, per esempio, in considerazione un albero (solido cilindrico di forma allungata) si possono considerare i diversi tipi di sollecitazione generati dalle forze esterne applicate. La figura A1.6 riporta la rappresentazione schematica dei tipi di sollecitazioni che di seguito si descrivono. Forza statica (a) Forza dinamica (b) Forza periodica (c) V V Forza concentrata (d) a1.5 Diversi tipi di forze applicate ai corpi. Forza di attrito radente (e) Forza di attrito volvente (f)

16 8 modulo A Materiali di interesse industriale trazione Le forze, applicate esternamente, sono dirette lungo l asse del corpo e tendono ad allungarlo [fig. A1.6a]. compressione Le forze, applicate esternamente, sono dirette lungo l asse del corpo e tendono ad accorciarlo [fig. A1.6b]. Le sollecitazioni di trazione e compressione sono dette anche sollecitazioni assiali. una forma per ottenere un getto di fusione [fig. A1.7]. Questa proprietà risulta influenzata dal punto di fusione, dalla fluidità del materiale allo stato liquido, dall assenza di difetti dei getti (porosità, soffiature ecc.). Sono fusibili le ghise, i bronzi, gli ottoni e le leghe. flessione Le forze esterne agiscono su un piano perpendicolare all asse principale e tendono a flettere il corpo, cioè a piegarlo [fig. A1.6c]. (a) (b) (c) Trazione Compressione Flessione torsione Le forze esterne agiscono su un piano perpendicolare all asse del corpo e tendono a torcerlo, cioè a fare ruotare reciprocamente le diverse sezioni dell albero facendolo torcere [fig. A1.6d]. taglio Le forze esterne applicate agiscono in direzione perpendicolare all asse principale e tendono a recidere due sezioni trasversali adiacenti del corpo [fig. A1.6e]. A questa azione si oppone la durezza del materiale. (d) Torsione a1.6 Diversi tipi di sollecitazioni generate da forze esterne. (e) Taglio proprietà tecnologiche Le proprietà tecnologiche definiscono l attitudine dei materiali a essere trasformati mediante lavorazioni. Le più importanti, riportate nelle figure A1.7 A1.14, sono: fusibilità, saldabilità, truciolabilità, plasticità, malleabilità, duttilità, estrudibilità, imbutibilità e piegabilità. Siviera Pezzo di fusione Materiale fuso Forma fusibilità È l attitudine di un materiale a essere colato allo stato liquido dentro a1.7 Proprietà tecnologica della fusibilità.

17 Caratteristiche dei materiali e leghe del ferro unità A1 9 saldabilità È l attitudine di un materiale a unirsi facilmente con un altro, di uguale o diversa natura, tramite fusione e/o aggiunta di materiale d apporto [fig. A1.8]. Un materiale risulta saldabile quando garantisce una giunzione resistente, compatta e inalterabile. Sono saldabili il ferro, gli acciai dolci e le leghe metalliche in genere. Cordone di saldatura Materiale d apporto Cannello plasticità È la proprietà che manifestano alcuni materiali di deformarsi permanentemente, senza screpolarsi o rompersi, sotto l azione di forze esterne. A seconda dei sistemi di deformazione e della forma finale ottenuta, si distinguono le successive proprietà tecnologiche. Malleabilità È l attitudine di un materiale a lasciarsi ridurre, a caldo o a freddo, in lamine, senza screpolarsi o rompersi, mediante l azione di presse, magli o laminatoi [fig. A1.10]. Sono malleabili i materiali che possono subire un buon allungamento, che presentano una bassa durezza e limitata resistenza a trazione. L operazione che sfrutta questa proprietà si chiama laminazione e i prodotti ottenuti si dicono laminati. Cilindro del laminatoio a1.8 Proprietà tecnologica della saldabilità. Pezzi da saldare truciolabilità È l attitudine di un materiale a subire lavorazioni con asportazione di truciolo, mediante l utilizzo di utensili montati su opportuna macchina (utensili per tornio, frese, punte elicoidali ecc., fig. A1.9). Risultano truciolabili le ghise, gli acciai al piombo (acciai automatici), i bronzi, l alluminio e le sue leghe (leggere), il magnesio e le sue leghe (ultraleggere). a1.10 Proprietà tecnologica della malleabilità. Laminato Trucioli Utensile fresa Duttilità È l attitudine di un materiale a lasciarsi ridurre in fili senza rompersi se costretto a passare (per trazione) attraverso un foro di forma e dimensione opportune [fig. A1.11]. Matrice Pezzo da fresare a1.9 Proprietà tecnologica della truciolabilità. Traflato a1.11 Proprietà tecnologica della duttilità.

18 10 modulo A Materiali di interesse industriale Sono duttili l acciaio dolce, l argento, l oro, l alluminio, il rame, le leghe speciali di acciaio al nichel-cromo e al magnesio. L operazione che sfrutta questa proprietà si chiama trafilatura e i prodotti ottenuti trafilati. estrudibilità È l attitudine di un materiale ad assumere forme determinate se costretto a passare (per spinta) attraverso un foro sagomato [fig. A1.12]. Sono estrudibili gli acciai dolci e le leghe leggere. L operazione che sfrutta questa proprietà è detta estrusione e i prodotti ottenuti estrusi (per esempio, i profilati di alluminio). Forza di spinta della pressa Lamiera imbutita Premilamiera Punzone Lamiera piana Stampo imbutibilità È l attitudine di un materiale a lasciarsi deformare a freddo, ottenendo corpi cavi, senza rompersi o screpolarsi [fig. A1.13]. Sono imbutibili gli acciai extradolci, il rame, l ottone, l alluminio. L operazione che sfrutta questa proprietà si chiama imbutitura e i prodotti ottenuti stampati (per esempio, la carrozzeria dell auto). piegabilità È l attitudine di alcuni materiali a subire l operazione di piegatura senza rompersi o screpolarsi [fig. A1.14]. Sono facilmente piegabili gli acciai dolci e, in generale, tutti i materiali malleabili. a1.13 Proprietà tecnologica della imbutibilità. S D D + 3S R = 25 mm per S²12 mm R = 50 mm per S>12 mm a1.14 Proprietà tecnologica della piegabilità. R Piegatura a 180 con lembi distanziati Forza di spinta della pressa Punzone A1.3 ferro e sue leghe Il ferro è un elemento metallico con simbolo chimico Fe, temperatura di fusione 1535 C, duttile, malleabile, magnetizzabile, che si ossida facilmente (formazione di ossido di ferro, detto comunemente ruggine). Estruso a1.12 Proprietà tecnologica della estrudibilità. Matrice Materiale Per la sua duttilità, il ferro era utilizzato a scopi decorativi e per la produzione di armi fin dalla preistoria. È disponibile in natura sotto forma di minerali costituendo il quarto elemento, in ordine di abbondanza, sulla superficie terrestre, dopo l ossigeno, il silicio e l alluminio. Piccole quantità di composti di ferro sono presenti nelle acque, nelle piante e in quasi tutti gli alimenti. Il ferro, sotto forma di composto, viene somministrato come medicinale tonico e nel trattamento dell anemia, quando la quantità di emoglobina o il numero di globuli rossi nel sangue sono inferiori alla norma.

19 Caratteristiche dei materiali e leghe del ferro unità A1 11 Attualmente è utilizzato allo stato quasi puro per la produzione della lamiera zincata e di elettromagneti. Più frequentemente lo si trova sul mercato sotto forma di leghe ferro-carbonio che vengono definite in funzione della percentuale di carbonio presente e più precisamente [fig. A1.15]: meno di 0,008% ferro (acciaio extradolce); da 0,008 a 0,1% acciaio dolce; da 0,1 a 2% acciaio; da 2 a 6,67% ghisa. Si chiama siderurgia il settore della metallurgia che studia i minerali da cui si ricava il ferro, le sue combinazioni con il carbonio e i processi tecnologici per la produzione delle leghe ferro-carbonio: ghisa e acciaio. Le fasi che costituiscono il processo siderurgico con il quale si ricava il ferro e le sue leghe sono le seguenti [fig. A1.16]: preparazione: consiste nel preparare in modo adeguato le materie prime che sono: i minerali di ferro, il carbon fossile (coke) e il calcare, usato come fondente; trasformazione: viene effettuata nell altoforno, grande forno verticale dove, dalle materie prime, si ottiene la ghisa di prima fusione (ghisa madre); affinazione: avviene nei convertitori, forni che consentono di ottenere l acciaio dalla ghisa di prima fusione; laminazione: viene eseguita con un complesso di macchinari, detti laminatoi, che consentono di ottenere, mediante deformazione plastica a caldo, i semilavorati (billette, blumi, barre profilate di diversa forma). FERRO (Acciaio extradolce) <0,008% di C ACCIAIO DOLCE da 0,008 a 0,1% di C LEGHE FERRO-CARBONIO ACCIAIO da 0,1 a 2% di C a1.15 Leghe ferro-carbonio in funzione della percentuale di presenza dei carbonio nel ferro. GHISA da 2 a 6,67% di C Materie prime: minerali di ferro coke fondente aria a1.16 Fasi principali del processo siderurgico. Riscaldamento e centrale elettrica Fumi ALTOFORNO Scorie Scambiatori di calore (Cowper) Lana di loppa Cementi d altoforno Aria calda Ghisa di prima fusione Rottami di acciaio Cubilotto Convertitori Ghisa di seconda fusione Acciaio Colata: continua in lingottiera Barre Lingotti Laminatoio Lamiere Proflati Fusioni in ghisa Utilizzazione

20 12 modulo A Materiali di interesse industriale Materie prime I minerali da cui si estrae il ferro sono: magnetite: ossido di ferro (FeO Fe 2 O 3 ) di colore grigio-ferro, aspetto metallico, ferromagnetico; ematite: ossido di ferro (Fe 2 O 3 ), di colore grigionero o rossastro, lamellare o granulare, fragile; limonite: idrossido di ferro (2Fe 2 O 3 3H 2 O), di colore giallo-limone tendente al bruno, fibroso, terroso, opaco; siderite: carbonato di ferro (FeCO 3 ), di colore giallognolo o bruno, lucente, vitreo; pirite: solfuro di ferro (FeS 2 ), di colore giallo-ottone, lucente, fragile. altoforno L altoforno è un grosso forno verticale di altezza pari a m e di diametro massimo di m, sorretto da una robusta incastellatura metallica (mantello) che sostiene una muratura in mattoni refrattari. Con esso si possono produrre, mediamente, tra le 2000 e le 4500 tonnellate di ghisa al giorno. Le parti fondamentali dell altoforno sono [fig. A1.17]: bocca: costituita dai dispositivi di caricamento, apertura, chiusura, raccolta e convogliamento dei fumi; tino: di forma tronco-conica divergente verso il basso per facilitare la discesa dei materiali e tenere conto della loro dilatazione; ventre: parte centrale dell altoforno dove viene raggiunto il diametro massimo; sacca: costruita a forma troncoconica con sezione decrescente per compensare la diminuzione del volume di materiale che comincia a fondere e a precipitare sotto forma di grossi goccioloni liquidi. Nella parte inferiore sono disposti gli ugelli dai quali viene insufflata l aria calda necessaria alla combustione; crogiolo: di forma cilindrica, serve a raccogliere la ghisa fusa; nella parte superiore viene praticato un foro per lo scarico delle scorie e nella parte inferiore un altro per la colata della ghisa. funzionamento dell altoforno Le materie prime opportunamente preparate (pellettizzazione) vengono caricate dalla bocca dove cominciano a riscaldarsi fino a raggiungere la temperatura di 400 C, eliminando l umidità dei materiali (essiccamento, fig. A1.17, zona 1). La carica solida, nel suo cammino di discesa verso il basso, incontra la corrente ascendente dei gas ottenuti dall aria compressa preriscaldata introdotta dagli ugelli ad alta velocità. L ossigeno contenuto nell aria, infatti, reagisce con il carbone (C) generando ossido di carbonio (CO), anidride carbonica (CO 2 ) e sviluppando calore. Nel tino il minerale di ferro (per esempio, l ematite Fe 2 O 3 ) comincia a reagire con l ossido di carbonio riscaldandosi fino a raggiungere la temperatura di 800 C. Fe 2 O 3 + 3CO 2Fe + 3CO 2 + calore Questa reazione si chiama di riduzione indiretta (fig. A1.17, zona 2) perché non ottenuta dal carbonio ma dall ossido di carbonio. Proseguendo nella sua discesa il minerale di ferro subisce una riduzione diretta (fig. A1.17, zona 3) combinandosi con il carbon coke. Fe 2 O 3 + 3C 2Fe + 3CO + calore Questa reazione fornisce ancora calore portando i materiali alla temperatura di 1350 C. PARTI COSTITUENTI ZONE FENOMENI CARATTERISTICI Tramoggia Campana piccola Raccolta fumi Campana grande Bocca Tino Ventre Sacca Vento caldo Uscita scorie Crogiolo Uscita ghisa Caricamento Apertura/chiusura bocca di caricamento Essiccamento e preriscaldamento Riduzione indiretta Riduzione diretta Carburazione Fusione Immissione aria calda Combustione Eliminazione delle scorie Colata della ghisa a1.17 Disegno schematico di un altoforno in sezione: parti fondamentali, temperature e fenomeni.

21 Caratteristiche dei materiali e leghe del ferro unità A1 13 Nella zona 4 il minerale di ferro, a causa delle riduzioni subite nelle due zone sovrastanti (2 e 3), raggiunge una struttura spugnosa che favorisce l assorbimento di carbonio trasformandosi in ghisa. La temperatura continua a salire fino a provocare la fusione del minerale con la formazione delle prime scorie. La reazione chimica è la seguente: 3Fe + 2CO Fe 3 C + CO 2 Successivamente, nella zona 5, viene immessa dagli ugelli aria calda che completa la combustione del coke innalzando la temperatura fino a 1800 C. Il metallo fuso precipita nel crogiolo separandosi dalle scorie che galleggiano perché più leggere (fig. A1.17, zona 6). i prodotti dell altoforno I principali prodotti dell altoforno [fig. A1.18] sono le scorie, il gas povero e la ghisa di prima fusione. Scorie Sono spillate dal crogiolo dell altoforno attraverso il foro più alto. Esse contengono le parti solide non metalliche delle cariche introdotte nell altoforno. Sono utilizzate per la costruzione di materiali coibenti, cementi, calce, mattonelle di rivestimento ecc. Gas povero Viene raccolto nella bocca dell altoforno alla temperatura di circa 200 C. È composto da gas ancora combustibili, come ossido di carbonio (25%), idrogeno (2%), metano (0,3%), oltre che da azoto e anidride carbonica. Viene utilizzato nella produzione di energia elettrica per il consumo interno dell impianto e per riscaldare l aria inviata agli ugelli dell altoforno. A1.4 La ghisa La ghisa viene spillata dal crogiolo dell altoforno a una temperatura di circa 1500 C e versata nei carri siluro (recipienti semoventi a forma di botte montati su carrelli) o nelle siviere (grosse brocche rivestite di refrattario), per il trasporto. Questa ghisa è detta anche di prima fusione o ghisa greggia. Essa non viene subito utilizzata, ma ulteriormente trasformata, con particolari processi di rifusione, in un forno più piccolo che si chiama cubilotto, con aggiunta di elementi che ne migliorano le caratteristiche, ottenendo la ghisa di seconda fusione detta semplicemente ghisa. La ghisa è una lega ferro-carbonio di colore grigio, punto di fusione intorno a 1200 C, non malleabile, fragile, resistente alla corrosione e dotata di una buona fusibilità (scorrevolezza allo stato fuso). Proprio a causa della sua buona fusibilità, la ghisa viene largamente impiegata soprattutto nella fabbricazione di getti fusi per basamenti di macchine utensili, monoblocchi di motore [fig. A1.19] ecc. a1.19 Monoblocco in ghisa di motore FIAT, 6 cilindri a V, ottenuto per fusione. Scorie Coibenti Cementi Mattonelle PRODOTTI DELL ALTOFORNO Gas povero Energia elettrica Preriscaldamento aria degli ugelli a1.18 I principali prodotti dell altoforno. Ghisa di prima fusione Getti fusi Acciai

22 14 modulo A Materiali di interesse industriale tipi di ghisa e loro designazione Le ghise vengono classificate in funzione delle loro caratteristiche meccaniche. Di seguito sono elencati i principali tipi di ghisa. Ghisa grigia (uni en 1561) Il carbonio è presente con una distribuzione uniforme sotto forma di grafite lamellare per cui, alla frattura, la ghisa si presenta grigia. È lavorabile alle macchine utensili, resistente alla compressione, fragile, di media durezza. È molto utilizzata per getti [fig. A1.20]. Esempi di designazione EN-GJL-250 UNI EN 1561: ghisa grigia per getti con carico di rottura 250 N/mm 2. EN-GJL-HB235 UNI EN 1561: ghisa grigia per getti con durezza Brinell 235 HB. a1.20 Ghisa grigia (ingrandimento 200:1). Ghisa bianca Il carbonio è presente sotto forma di carburo di ferro Fe 3 C (cementite). Questa ghisa ha struttura argentea, fragile, durissima e non risulta facilmente lavorabile. Viene utilizzata per pezzi duri, non soggetti a urti e per la produzione di ghise malleabili [fig. A1.21]. Ghisa malleabile (uni iso 5922) Viene ottenuta dalla ghisa bianca con un prolungato riscaldamento a temperatura adeguata (trattamento detto ricottura). La ghisa malleabile presenta una discreta resistenza a trazione, è deformabile, ha una buona lavorabilità alle macchine utensili e una buona saldabilità. Esempi di designazione W UNI ISO 5922: ghisa malleabile bianca con carico di rottura 400 N/mm 2 e allungamento 5%. B UNI ISO 5922: ghisa malleabile nera con carico di rottura 320 N/mm 2 e allungamento 12%. P UNI ISO 5922: ghisa malleabile perlitica con carico di rottura 500 N/mm 2 e allungamento 5%. Ghisa sferoidale (uni en 1563) Viene ottenuta dalla ghisa ordinaria con l aggiunta di magnesio e nichel che favoriscono la formazione di noduli di carbonio (sferoidi). La ghisa sferoidale possiede proprietà meccaniche e tecnologiche simili a quelle dell acciaio pur conservando le caratteristiche di fusibilità, resistenza all usura, alla corrosione e al calore tipiche della ghisa. Essa viene utilizzata in sostituzione dell acciaio per pezzi fusi che devono garantire lavorabilità, resistenza, allungamento, resilienza e saldabilità [fig. A1.22]. Esempi di designazione EN-GJS U UNI EN 1563: ghisa sferoidale con carico di rottura a trazione di 400 N/mm 2 e allungamento minimo percentuale 15%. EN-GJS-800-2U UNI EN 1563: ghisa sferoidale con carico di rottura a trazione di 800 N/mm 2 e allungamento minimo percentuale 2%. a1.21 Ghisa bianca (ingrandimento 250:1). a1.22 Ghisa sferoidale (ingrandimento 250:1).

23 Caratteristiche dei materiali e leghe del ferro unità A1 15 A1.5 L acciaio L acciaio è una lega ferro-carbonio con una percentuale di carbonio inferiore al 2% (nelle applicazioni industriali comuni la presenza del carbonio è variabile da 0,2 a 1%). Esso viene ottenuto dalla ghisa dell altoforno attraverso processi di sottrazione del carbonio (decarburazione o affinazione della ghisa) che si distinguono in [fig. A1.23]: processi a carica liquida, che trattano direttamente la ghisa liquida proveniente dall altoforno attraverso i convertitori (Bessemer, Tomas, a ossigeno); processi a carica solida, che utilizzano pani di ghisa solidi e rottami di ferro portati a fusione mediante forni (Martin- Siemens, elettrico). convertitori Bessemer e thomas Questi convertitori non sono praticamente più utilizzati. Erano costituiti da grossi recipienti di acciaio a forma di pera, rivestiti internamente di materiale resistente al calore (refrattario) e sostenuti da due perni centrali che ne permettevano la rotazione [fig. A1.24]. La carica di ghisa liquida era attraversata dall aria insufflata dagli ugelli praticati sul fondo del forno. L ossigeno dell aria reagiva con il carbonio contenuto nella ghisa formando anidride carbonica CO 2, che si eliminava con i fumi, mentre la ghisa si trasformava in acciaio. L acciaio ottenuto con i convertitori Bessemer e Tomas non era di grande qualità a causa della rapidità con la quale si compiva il procedimento di trasformazione della ghisa in acciaio. convertitore a ossigeno Questo convertitore risulta analogo ai precedenti con la differenza che al posto dell aria viene insufflato all interno ossigeno a una pressione di 8 bar mediante apposita lancia introdotta nella bocca del convertitore [fig. A1.25]. Il getto di ossigeno è puro nel sistema L.D. (Linz e Donawitz) o misto a metano nel sistema O.B.M. (Oxygen Building Metan). In entrambi i casi la reazione con il carbonio è molto energica e produce un notevole innalzamento di temperatura ( C). Ossigeno Foro di colata Ghisa fusa e rottami di ferro PROCESSI DI FABBRICAZIONE DELL ACCIAIO A CARICA LIQUIDA A CARICA SOLIDA a1.23 Principali processi di fabbricazione dell acciaio. Convertitore Bessemer (rivestimento acido) Convertitore Thomas (rivestimento basico) Convertitore a ossigeno (L.D., O.B.M., Kaldo, Rotor) Forno Martin-Siemens Forno elettrico a1.25 Convertitore a ossigeno L.D. (Linz e Donawitz). Forno per l affinazione della ghisa liquida mescolata con rottami di ferro che utilizza ossigeno puro insufflato dall alto mediante tubo metallico (lancia di Linz). a1.24 Convertitori Bessemer e Thomas per la fabbricazione dell acciaio. Aria Carica della ghisa fusa Insu aggio dellõaria Colata dellõacciaio

24 16 modulo A Materiali di interesse industriale In queste condizioni risulta possibile aggiungere alla carica di ghisa liquida di partenza anche dei rottami di ferro solidi, aumentando la capacità di carica e risparmiando sui costi di trasformazione. L acciaio ottenuto con questo processo ha caratteristiche migliori rispetto a quello che si otteneva con i convertitori Bessemer e Tomas, con una più precisa percentuale di carbonio e minori impurezze (costituite da fosforo, silicio, azoto e zolfo). forno Martin-siemens tra la carica stessa e due o tre elettrodi di grafite [fig. A1.27]. Il forno elettrico ad arco garantisce una maggior precisione nel Camera di combustione (laboratorio) Bruciatori (gas, gasolio) Tappo controllo delle condizioni di affinazione della ghisa e perciò risulta più adatto per la produzione di acciai speciali ad alta resistenza. Metallo fuso Suola di rivestimento Apertura di carico Volta di riverbero Si tratta di un forno a riverbero, nel quale la carica è costituita in prevalenza da rottami di ferro (70%) quasi sempre mescolati a ghisa liquida d altoforno (30%). Il calore di riscaldamento viene ottenuto dalla combustione di gas o nafa con l aria preriscaldata mediante il recupero del calore dei fumi di uscita. La temperatura raggiunta è intorno ai 1800 C [fig. A1.26]. La ghisa si decarbura sia per la presenza dei rottami di ferro (poveri di carbonio) sia reagendo con il refrattario della suola di rivestimento che, per questo motivo, periodicamente va ripristinata. L operazione è molto lunga (8 ore) e consente di ottenere un acciaio di qualità. Con l aggiunta finale di opportuni additivi è possibile ottenere acciai aventi la composizione e le caratteristiche desiderate. Questo forno è quasi completamente sostituito dai forni elettrici. forno elettrico ad arco È un forno nel quale la carica è costituita da rottami di ferro e pani di ghisa solida. Questi elementi vengono portati alla fusione mediante il calore prodotto dall arco voltaico fatto scoccare Canale di colata a1.26 Forno Martin-Siemens. La carica può essere costituita da rottami di acciaio e ghisa solida (metodo Martin), oppure da rottami di acciaio, ghisa liquida e minerali di ferro polverizzato (metodo Siemens). Volta di mattoni silicei Arco voltaico Bocca di colata Collegamento elettrico Bocca di carico Elettrodo Culla metallica a1.27 Forno elettrico ad arco voltaico. La carica è composta da rottami di ferro e pani di ghisa solida.