scuola secondaria di primo grado istituto gianelli Tecnologia prof. diego guardavaccaro i metalli u.d. 03

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2 11 i metalli minerale del ferro e altoforno Il ferro è il metallo più abbondante all'interno della Terra (costituisce il 34,6% della massa del nostro pianeta) ed è un metallo estratto da minerali: non si rinviene ferro puro in natura (nativo) ma solo come ferro meteoritico. Il ferro è uno degli elementi più comuni sulla Terra, di cui costituisce circa il 5% della crosta. La maggior parte di esso si trova in minerali costituiti da suoi vari ossidi, tra cui l'ematite, la magnetite, la limonite e siderite. Il ferro si usa solitamente per produrre acciaio, che è una lega a base di ferro, carbonio ed altri elementi. Una lega è una combinazione di due o di più elementi, di cui almeno uno è un metallo e dove il materiale risultante ha proprietà metalliche differenti da quelle dei relativi componenti (le leghe sono ideate solitamente per avere proprietà più desiderabili). Funzionamento dell altoforno Per estrarre il ferro dai suoi minerali, all'interno dei quali si trova nello stato ossidato, è necessario rimuovere le impurità per riduzione chimica del minerale attraverso un processo di estrazione in altoforno. Industrialmente, il ferro è estratto dai suoi minerali in una fornace a temperature di circa 2000 C. In una fornace di riduzione attraverso la bocca di carico si introducono, a strati alterni, il minerale di ferro, il combustibile e il fondente. Il combustibile impiegato è il coke metallurgico (carbone sintetico - contiene carbonio) e il fondente ha il compito di combinarsi con la ganga (sostanze estranee presenti nel materiale) e le ceneri, e di formare le scorie o loppe. Nel ventre avviene la fusione di tutti i materiali: il ferro assorbe carbonio e si trasforma in ghisa ( C).

3 12 i metalli la ghisa Allo stato puro il ferro non viene praticamente utilizzato, sono impiegate invece le sue leghe di ferro e carbonio: ghise (carbonio tra 2% e 6% circa) e acciai (carbonio inferiore a 2%). Quello che nel linguaggio comune è chiamato ferro è in realtà un acciaio a basso tenore di carbonio, meglio chiamato acciaio dolce. Rispetto all'acciaio, la ghisa presenta maggiore durezza e quindi resistenza all'abrasione, e maggiore fragilità, inoltre ha un coefficiente di dilatazione termica più basso, questa caratteristica la rende adatta per accoppiamenti ove vi siano variazioni di temperatura. La presenza del carbonio in elevata quantità nella ghisa ha inoltre una notevole attività antiruggine, tale che spesso, specie negli arredi urbani, (panchine, fontanelle, tombini), possono essere verniciati non per particolare protezione ma solo per motivi estetici. A differenza dell'acciaio, la ghisa, per le caratteristiche di grande fluidità alla temperatura di fusione, è usata, in larga misura, anche nella produzione di getti di fusione. Questi consistono nel realizzare la forma negativa di ciò che si vuole ottenere e con la successiva colata della ghisa liquida nello stampo che, andando a occupare la parte vuota, assume la forma desiderata. Le fusioni in ghisa con materiali di qualità, per tale notevole fluidità, permettono la realizzazione di forme complesse e dettagli minuti. Le caratteristiche che consentono il conveniente uso della ghisa in molte applicazioni sono: economicità nella produzione resistenza all'usura buona lavorabilità con macchine utensili resistenza meccanica paragonabile all'acciaio possibilità di realizzare forme molto complesse mediante semplice fusione elevata durezza e resistenza a compressione ottima colabilità

4 13 i metalli l acciaio L acciaio è una lega di ferro e carbonio con una percentuale di carbonio inferiore al 2% più piccole altre quantità di elementi come silicio, manganese, zolfo e fosforo. Si produce affinando la ghisa greggia (riduzione del carbonio e delle impurità). La colata dell acciaio: l acciaio liquido (1600 C) viene colato in un grosso recipiente detto siviera e da qui può andare in lingottiere permanenti (dovrà però poi subire una prima laminazione) o in lingottiere con fondo mobile dando luogo a una colata continua: quando l acciaio comincia a solidificarsi ne viene sfilato il fondo e il semilavorato inizia a scendere mentre forti getti d acqua lo investono raffreddandolo. Quindi un volta solidificato viene inviato direttamente ai laminatoi che ne danno una forma specifica (barre, tubi, rotaie). Proprietà acciaio Buona resistenza meccanica Plastico (malleabile e duttile) Saldabile Non resistente alla corrosione Difficilmente fusibile

5 14 i metalli alluminio, rame e le sue leghe, lavorazioni principali L alluminio è uno degli elementi più diffusi della crosta terrestre si ricava esclusivamente dal minerale della bauxite ed è al secondo posto per importanza dopo le ghise e gli acciai (leghe siderurgiche). Caratteristiche principali sono la leggerezza, resistenza meccanica e alla corrosione, la buona plasticità. Il rame occupa il terzo posto per importanza fra i metalli, si ottiene attraverso una lavorazione complessa partendo dal rame nativo e ossidi. Caratteristiche principali sono la ottima conducibilità elettrica e termica, resistenza alla corrosione, lavorabilità a caldo e freddo. Utilizzi: componenti elettriche (cavi), elettroniche (circuiti stampati), architettura (coperture, grondaie). Leghe: bronzo (rame + stagno) lo stagno aumenta la facilità alla fusione (statue, ingranaggi); ottoni (rame + zinco) lo zinco aumenta la durezza e la resistenza meccanica (tubi, giunzioni idrauliche, rubinetti). Lavorazione dei metalli si ottiene principalmente per fonderia (ghise, bronzi, ottoni) o per deformazione plastica (acciaio, alluminio)

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