TECNOLOGIA MECCANICA I MATERIALI METALLICI ED I TRATTAMENTI TERMICI Fondamenti

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1 I MATERIALI METALLICI ED I TRATTAMENTI TERMICI Fondamenti Centro per l Automazione e la Meccanica Via Rainusso 138/N Modena

2 INDICE 1 I materiali pag Metalli e leghe metalliche Proprietà: fisiche meccaniche tecnologiche chimiche Materiali meccanici ferrosi Designazione degli acciai La ghisa Designazione della ghisa Materiali metallici non ferrosi 16 2 I trattamenti termici Trattamenti termici degli acciai 20 1

3 I MATERIALI Metalli e leghe metalliche. Sono metalli il ferro, l argento, lo zinco, il cromo il manganese, il piombo, il cobalto, il magnesio, ecc. Non sono metalli (cioè sono metalloidi) lo zolfo, il fosforo, l azoto, l ossigeno, il carbonio, il silicio, l antimonio, ecc. Sono leghe metalliche se costituite da due o più elementi, uno almeno dei quali è un metallo presente in quantità rilevante rispetto agli altri elementi. Un esempio di lega composta da un metallo con un altro metallo è l ottone. L ottone è costituito dai metalli rame e zinco. Un esempio di lega composta da un metallo e da un non metallo è l acciaio. L acciaio è composto dal metallo ferro e da non metallo carbonio. Tutti i materiali metallici hanno caratteristiche o proprietà specifiche. Le proprietà dei metalli e delle leghe metalliche si dividono in: - proprietà chimico - strutturali. - Proprietà fisiche. - Proprietà meccaniche e tecnologiche. LE PROPRIETA Le proprietà chimiche strutturali. Le proprietà chimico - strutturali riguardano la composizione chimica dei metalli e la loro struttura interna dalle quali derivano tutte le proprietà meccaniche e tecnologiche. Sono proprietà chimiche anche la corrosione e l ossidazione. Proprietà fisiche Le principali proprietà fisiche sono: - massa volumica (peso specifico) - calore specifico - dilatazione termica - temperatura di fusione - conducibilità termica - conducibilità elettrica. Proprietà meccaniche Le principali proprietà meccaniche sono: - resistenza meccanica - resistenza e fatica - resistenza all usura - resistenza all urto o resilienza - durezza. 2

4 Proprietà tecnologiche Le principali proprietà tecnologiche sono: - duttilità - malleabilità - fusibilità e colabilità - saldabilità - truciolabilità - temperabilità. Proprietà chimico strutturali Struttura dei metalli puri. I metalli puri si differenziano tra loro per dimensione, peso e proprietà degli atomi di cui sono costituiti. Ogni metallo ha atomi differenti da quelli di un altro metallo. Proprietà fisiche Massa e volume. La massa volumica di un corpo metallico viene espresso normalmente in kg/dm³. Questa proprietà fisica prima della introduzione del sistema SI veniva chiamata peso specifico. Esempio: la massa di un dm³ di ferro è 7,86 Kg. A parità di volume il ferro ha dunque una massa maggiore dell alluminio, cioè ha una maggiore massa volumica. Calore specifico. Il calore specifico è il rapporto tra la quantità di un calore che è necessario fornire ad un corpo di massa unitario per elevare di 1 C. la temperatura. 3

5 Calore specifico Metallo Cs [J/(kg x C)] Piombo 128 Oro 130 Platino 136 Tungsteno 142 Stagno 226 Argento 230 Rame 383 Zinco 385 Cobalto 431 Nichel 440 Ferro 465 Cromo 502 Alluminio 900 Dilatazione termica Metallo α [m/(m x C)] Platino 0, Ghisa 0, Acciaio 0, Nichel 0, Oro 0, Rame 0, Zinco 0, Bronzo 0, Ottone 0, Argento 0, Stagno 0, Alluminio 0, Piombo 0, Peso specifico Metallo γ (kg / dm 3 ) Magnesio 1,75 Alluminio 2,70 Titanio 4,50 Zinco 7,14 Stagno 7,30 Ferro 7,86 Bronzo 8-8,8 Nichel 8,66 Rame 8,90 Piombo 11,34 Mercurio 13,59 Oro 19,30 Tungsteno 19,30 Platino 21,40 Dilatazione termica E noto che tutti i corpi quando vengono riscaldati, subiscono una dilatazione. Se prendiamo due barre di metallo diverso, di uguale lunghezza alla temperatura di 20 C. avranno lunghezze differenti alla temperatura di 100 C. Ciò è dovuto al fatto che la dilatazione termica è diversa per ogni materiale. Conduttività elettrica La conduttività elettrica è la proprietà che hanno metalli e leghe metalliche nel farsi attraversare dalla corrente elettrica. Se prendiamo due fili di metalli differenti ed applichiamo una stessa tensione ai loro capi, noteremo che essi saranno attraversati da due correnti di intensità diversa. Proprietà meccaniche Resistenza meccanica La resistenza meccanica è la capacità dei materiali di resistere a forze statiche esterne tendenti a modificarne la forma e la dimensione. La resistenza meccanica dei materiali ai vari tipi di sollecitazione statica può essere misurata con prove specifiche di trazione, di compressione, di torsione, di flessione, di taglio, ecc. Resistenza alla fatica e all usura L esperienza insegna che un pezzo meccanico offre una certa resistenza se viene sottoposto ad un carico costante. Presenta, invece, una resistenza minore se è sottoposto ad un carico di intensità variabile nel tempo e ripetuto più volte. Le sollecitazioni ripetute più volte nel tempo producono una specie di affaticamento del materiale. Le rotture prodotte in questo modo sono denominate rotture per fatica. 4

6 Resistenza all usura. L usura è il deterioramento meccanico che avviene sulle superfici di contatto fra organi meccanici accoppiati, in movimento uno rispetto all altro. L effetto prodotto dall usura consiste nella riduzione del peso e della dimensione degli elementi accoppiati, in conseguenza dell'asportazione di piccole particelle di materiale. Resistenza all urto o resilienza La resilienza è la proprietà dei materiali di resistere ad urti o strappi (a sforzi cioè quando applicati in tempi brevissimi). La resilienza è l inverso della fragilità, cioè quanto più grande è la resilienza tanto minore è la fragilità e viceversa. La macchina impiegata per eseguire la prova di resilienza è nota come il Pendolo di Charpy. L indice della resilienza dei materiali viene ottenuto con una prova pratica consistente nel misurare il lavoro L necessario per rompere con un solo colpo una provetta unificata del materiale in esame, di sezione So. PENDOLO DI CHARPY Durezza La durezza è la proprietà che hanno i materiali di resistere alla penetrazione di un corpo di materiale duro, in ogni caso più duro del materiale in esame. Prove di durezza. In pratica il grado di durezza di un materiale viene misurato comprimendo sulla superficie del materiale in esame un penetratore con un punto di forma, dimensioni e materiale opportuni. Dalle dimensioni dell impronta prodotta sotto un determinato carico, si deduce il grado di durezza del materiale in esame. 5

7 Prova di durezza Brinell. Il metodo Brinell viene usato in prevalenza per materiali teneri, quali acciai dolci, ottoni, leghe leggere. La prova di durezza Brinell consiste nel far penetrare nel materiale in esame una sfera di acciaio duro pressata con un carico prestabilito. La durezza risulta, per un certo carico, inversamente proporzionale alla superficie dell impronta lasciata dalla sfera sul pezzo. F D d h Proprietà tecnologiche Duttilità La duttilità è l attitudine di un materiale ad essere trasformato in fili senza rompersi quando siano tirati e costretti a passare attraverso dei fori di dimensioni e profili opportuni. I materiali più duttili sono i più tenaci (cioè quelli che hanno elevato allungamento e resistenza a trazione), ma sono i meno duri. Sono duttili: l acciaio dolce, l argento, l oro, l alluminio, il rame. Non sono duttili le ghise. La duttilità è particolarmente significativa nell operazione di trafilatura mediante la quale si producono fili o profilati di qualsiasi forma. L operazione di trafilatura viene eseguita anche su acciai speciali quali quelli in lega con nickel cromo, magnesio, ecc. Malleabilità. La malleabilità è la proprietà tecnologica che riguardano l attitudine dei materiali a subire diversi tipi di lavorazioni meccaniche a caldo e a freddo. La malleabilità è sinonimo di plasticità ed è l attitudine di un materiale ad essere trasformato, a caldo o a freddo in lamine, senza screpolarsi o rompersi, mediante l azione di presse, magli o laminatoi. I materiali malleabili devono avere alto allungamento, bassa durezza e bassa resistenza a trazione. Per aumentare la malleabilità si scalda il pezzo fino alla temperatura più opportuna (temperatura di fucinabilità). 6

8 La malleabilità è particolarmente significativa nell operazione di laminazione per costruire lamiere e profilati di varie forme. La laminazione consiste nel far passare il materiale attraverso due cilindri ruotanti in senso opposto, che danno al materiale stesso la forma e lo spessore voluto. In questo caso la malleabilità può dirsi anche laminabilità. Fusibilità e colabilità. La fusibilità è l attitudine di un materiale ad essre trasformato in prodotto finito (getto) mediante fusione. La colabilità è la proprietà dei metalli e delle leghe metalliche liquidi di riempire una forma in tutte le sue parti. Il pezzo colato non deve presentare zone mancanti, per questo il materiale deve essere scorrevole, e deve mantenersi liquido fino al completo riempimento della forma. Sono colabili e ben fusibili le ghise, i bronzi, gli ottoni, le leghe leggere. Non sono colabili il ferro e gli acciai perché rimangono pastosi e vischiosi alle temperature di fusione. Temperature di fusione dei metalli più significativi Metallo T. ( C) Tungsteno 3380 Nichel 1453 Acciaio Rame 1083 Alluminio 630 Zinco 419 Piombo 330 Stagno 232 Saldabilità La saldabilità è l attitudine di un pezzo di un determinato materiale ad unirsi con un altro pezzo di uguale o diverso materiale, mediante fusione. Un materiale è ben saldabile se presenta, alle temperature vicine a quelle di fusione, un intervallo plastico o pastoso. Il passaggio da solido a liquido non deve cioè essere improvviso, ma avvenire gradatamente. Sono saldabili il ferro, gli acciai dolci e le leghe metalliche in genere. Non sono saldabili le ghise, i bronzi, ecc. Va ricordato inoltre che i materiali ben saldabili non sono ben colabili e viceversa. Truciolabilità La truciolabilità è l attitudine di un materiale o di una lega a subire lavorazioni con asportazione di truciolo, mediante utensile da taglio (utensile da tornio, fresa, punta da trapano, ecc). Sono truciolabili le ghise grigie, gli acciai in particolare quelli al piombo (acciai automatici o ad alta velocità) i bronzi e le leghe leggere. Non sono truciolabili le ghise bianche e gli acciai temprati, perché durissimi. Questa proprietà è sfruttata in tutte le lavorazioni con asportazione di truciolo quali la tornitura, la trapanatura, la filettatura, la fresatura, la brocciatura, ecc. 7

9 Temprabilità La temprabilità è la l attitudine delle leghe metalliche a subire trasformazioni della struttura cristallina a seguito di riscaldamenti seguiti da raffreddamenti. Il cambiamento di struttura comporta variazioni sensibili delle proprietà meccaniche e tecnologiche dei materiali. La temprabilità è una proprietà caratteristica soprattutto degli acciai ed è sfruttata nei trattamenti termici volti ad ottenere determinate caratteristiche meccaniche. Materiali meccanici ferrosi. L acciaio è una lega ferro carbonio, nella quale il carbonio è contenuto in una percentuale variante tra 0,06 e 2,6%. Oltre a questi elementi principali nell acciaio si trovano piccole percentuali di silicio, zolfo, manganese, fosforo. Gli acciai vengono ricavati dalla ghisa mediante una operazione detta affinazione, che consiste nella decarburazione della ghisa fusa, cioè della diminuzione del contenuto di carbonio. Acciai comuni Gli acciai comuni per uso generale non hanno ulteriori suddivisioni. Questi acciai non contengono altri metalli leganti. Sono prodotti e venduti dalle case produttrici solo con garanzia circa la resistenza a trazione. Non sono trattabili termicamente. Gli acciai di uso generale hanno proprietà meccaniche inferiori agli acciai speciali. Vengono impiegati allo stato grezzo di laminazione o, al massimo, dopo un trattamento termico di ricottura fatto per aumentare la lavorabilità. Questi acciai vengono impiegati per pezzi sollecitati solo staticamente e in modo modesto come strutture reticolari, travi a T, telai, rotaie, ecc. Per questi acciai è importante la proprietà di saldabilità. Esempio di classificazione degli acciai comuni per uso generale: Fe. 335 (Fe 34) Fe. 365 (Fe 37) Fe. 410 (Fe 42) Fe. 510 (Fe 52) Fe. 685 (Fe 70) Acciai speciali (al carbonio o legati) Gli acciai speciali contengono in percentuali molto precise metalli come cromo, nickel, molibdeno, tungsteno, ecc. Sono sempre precisate le percentuali di zolfo e di fosforo. Possono essere: legati se contengono elementi speciali come il nickel, cromo mobildeno, ecc. Al carbonio se non li contengono. Le proprietà degli acciai speciali vengono esaltate con un appropriato uso dei trattamenti termici espressamente consigliato dalle case produttrici. 8

10 Gli acciai speciali sono acciai che possiedono elevatissime caratteristiche meccaniche e talvolta qualche caratteristica particolare in più rispetto agli altri (inossidabilità, resistenza alla abrasione, resistenza alle alte e basse temperature). Dato il costo, il loro uso è riservato a pezzi molto sollecitati anche dinamicamente come: bielle, alberi, ingranaggi, palette turbine, ecc. Acciai per utensili Gli acciai per utensili al carbonio sono caratterizzati da percentuali di carbonio (0,6 1,2) che conferiscono all acciaio grande durezza e resistenza all usura. Un esempio è l acciaio C112KU di media qualità per lavorazioni di esportazione di truciolo. Acciai rapidi Sono caratterizzati da elevata durezza, resistenza all abrasione ottenuti con elevata percentuale di carbonio e di elementi in lega quali cromo, tungsteno, mobildeno, vanadio che formano carburi durissimi in combinazione chimica con il ferro. Vengono impiegati per la costruzione di utensili per torni, frese per fresatrici, punte da trapano, per stozzatrici, piallatrici, ecc. Sono utensili di buona qualità. Esempi: X 82 W V 18 KU X 75 W 18 KU X 88 WU 08 KU X 82 Mo W 09 KU Acciai super-rapidi Sono di caratteristiche simili agli acciai rapidi, ma l aggiunta di cobalto in lega aumenta la durezza a caldo per cui si può aumentare la velocità di tagli e quindi la produzione. Applicazioni: frese e utensili da taglio per materiali duri (tornitrici fresatrici trapanatrici) per cui sono richieste prestazioni superiori a quelle degli acciai rapidi. Esempi: X 80 W Co KU X 150 W Co V KU X 78 W Co KU Composizione chimica degli acciai L acciaio è una lega ferro carbonio, la cui percentuale o tenore di carbonio ( C ) varia fra 0,06 e 2,6. A seconda della percentuale di carbonio gli acciai si classificano come indicato nella tabella seguente: acciai dolcissimi 0,06 0,1% Acciai dolci 0,1 0,2% Acciai semiduri 0,2 0,77% Acciai duri 0,77 1,3 Acciai durissimi 1,3 2,06% 9

11 Gli acciai dolci e dolcissimi presentano resistenza a trazione molto più bassa di quella degli acciai ad alto tenore di carbonio. Gli acciai dolci e dolcissimi sono più duttili, più malleabili, più resistenti. Sono facilmente lavorabili alle macchine utensili e facilmente saldabili. Per contro, sono meno resistenti all usura e alla corrosione. Come influenzano gli acciai i più comuni elementi leganti (Ni Cr Mo Si Mn W Pb es) ed il loro impiego. Il Cromo (Cr) Il Cromo aumenta la durezza e il limite di elasticità dell acciaio. In percentuale maggiore al 10% il Cromo rende l acciaio inossidabile e resistente agli agenti chimici. Gli acciai al cromo vengono usati per la costruzione di cuscinetti, valvole di mootori a scoppio e per parti di impianti termici e chimici. Cromo e Nickel (Ni Cr) Il Nickel, sempre accompagnato dal Cromo, aumenta tutte le caratteristiche meccaniche dell acciaio e la resistenza alla corrosione. Diminuisce la dilatazione e la saldabilità. Gli acciai con Cromo Nickel (18% e 8%), inossidabili sono impiegati in vasti settori dell industria chimica e aeronautica, nella costruzione di turbine a vapore, per ferri chirurgici, nel pentolame, ecc. Acciai al Nickel Cromo Molibdeno (Ni Cr Mo) Il molibdeno ha la proprietà di aumentare la penetrazione negli acciai degli effetti della tempera e di far conservare le proprietà meccaniche conferite dalla tempera anche ad elevate temperature. Gli acciai con Nickel - Cromo Molibdeno sono più adatti in senso assoluto per le caratteristiche meccaniche per costruire alberi motore, ingranaggi, bielle, fucili e parti di motori a scoppio. Acciai al silicio Il silicio aumenta, negli acciai, il limite di elasticità. Gli acciai al silicio sono molto elastici e vengono perciò usati per la costruzione di molle. Acciai al manganese. Il manganese aumenta la penetrazione negli acciai dell effetto tempera, ma rende l acciaio più fragile se non si usano precauzioni durante il rinvenimento. Aumenta la resistenza all usura e la durezza. Il manganese compare in molti acciai impiegati per pezzi di grosse dimensioni ai quali siano richieste elevate caratteristiche anche in zone molto all interno del pezzo. Acciai al tungsteno (W) Il tungsteno è impiegato quasi esclusivamente per la costruzione di acciai per utensili, perché conferisce alla lega notevole durezza che permane anche ad elevate temperature. Il tungsteno è impiegato spesso assieme al vanadio. 10

12 Gli acciai al tungsteno -vanadio sono impiegati nella costruzione di utensili per torni, fresatrici, trapani, ecc. gli utensili costruiti con questi acciai sopportano velocità di taglio molto elevate. La loro denominazione è di acciai rapidi. Acciai al piombo zolfo (Pb s) Il piombo unito allo zolfo aumenta la truciolabilità degli acciai, favorendo il distacco del truciolo a scapito di altre proprietà meccaniche. Questi acciai vengono usati per la costruzione di particolari ai quali non sono richieste elevate caratteristiche meccaniche. Spesso sono pezzi di piccole dimensioni, costruiti su macchine automatiche. Per questo motivo gli acciai al piombo sono anche detti automatici. Designazione degli acciai Allo scopo di facilitare l individuazione dei materiali metallici maggiormente impiegati è risultato indispensabile stabilire una classificazione unificata e una designazione convenzionale per ogni tipo di materiale. Gli elementi che concorrono alla designazione degli acciai sono i seguenti: - Caratteristiche fisiche, meccaniche e tecnologiche. - Impiego e tipo di lavorazione a cui sono destinati. - Composizione chimica. - Grado di qualità. 11

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14 La ghisa La ghisa è una lega di ferro e carbonio, nella quale la percentuale di carbonio supera 1,7%. I tipi di ghisa più comuni sono quelli contenenti carbonio in percentuale tra il 2,08 e il 4,3%. Il carbonio è contenuto nella ghisa in due forme: - combinato chimicamente con il ferro dà origine alla cementite (carburo di ferro Fe 3C) che è durissima, chiara. - allo stato libero dà origine alla grafite, in forma di lamelle o noduli, tenera e nera. A seconda della prevalenza della cementite o della grafite si hanno: - ghisa bianca con prevalenza di cementite - ghisa grigia con prevalenza di grafite - se il carbonio è in parte libero e in parte combinato si ha la ghisa totale. Proprietà della ghisa. La ghisa resiste bene a compressione, ma non altrettanto a trazione e alla flessione. La ghisa bianca è molto dura e fragile e può essere lavorata solo con utensili abrasivi (Mole). La sua applicazione è limitata, viene solitamente usata per la costruzione di corone sulle ruote dei carrelli, oppure per lame di macchine impiegate nei lavori stradali o parti di frantoi o cilindri di laminatoi. Le ghise grigie sono meno dure e perciò meno fragili e possono essere lavorte alle macchine utensili. Le ghise non possono essere lavorate plasticamente né a caldo né a freddo, ma solo per fusione. Classificazione e designazione delle ghise Le ghise si possono classificare in base all aspetto, ghise grigie e ghise bianche oppure in base al processo di fabbricazione, ghise di prima fusione colate nella fusione direttamente dall altoforno, per la produzione di pezzi semplici e ghise di 2 fusione ottenute dalla rifusione della ghisa grigia con aggiunta di rottami di ghisa e acciaio; infine, secondo le caratteristiche meccaniche che sono normalmente influenzate dai processi di produzione. Partendo dalle ghise grigie o bianche si ottengono vari tipi di ghise speciali così definite perché hanno caratteristiche superiori alle ghise grigie ordinarie. Come ad esempio: - ghise ad alta resistenza meccanica - ghise resistenti all usura - ghise resistenti ad agenti chimici - ghise resistenti al calore - ghise sferoidali - ghise malleabili - ghisa grigia per getti ordinari (UNI 5007) Questi tipi di ghisa sono i più usati. Vengono impiegati nella costruzione delle più svariate parti meccaniche: basamenti, incastellature, carrelli ed organi meccanici vari, non particolarmente sollecitati. Presentano una buona lavorabilità alle macchine utensili. 13

15 La designazione di questi tipi di ghisa prevede la lettera G seguita da un numero che rappresenta il valore della resistenza a trazione R in N/mm². Ghisa grigia a grafite sferoidale (UNI 4544). I vari tipi di ghisa si ottengono aggiungendo, in fase di colata, Nickel - Magnesio e Ferro Silicio. Questi tipi di ghisa vengono usati nella costruzione di parti meccaniche alle quali occorre la massima tenacità e resistenza all usura. In particolare i tipi GS500/7 e GS600/2, che sono temprabili, sono generalmente impiegati per parti soggette a scorrimento quali le guide di macchine utensili, denti di ingranaggi, ecc. Allo stato normalizzato sono facilmente lavorabili. La designazione di questi tipi di ghisa prevede le lettere GS seguite da due numeri. Il primo numero rappresenta il valore della resistenza a trazione (R) in N/mm². Il secondo numero rappresenta il valore dell allungamento percentuale (A%). In alcuni casi può essere rappresentato anche il valore di durezza Brinell. Ghisa grigia non legata per getti colati in sabbia per uso automobilistico (UNI 5330). Questi tipi di ghisa vengono usati per organi meccanici resistenti all usura a caldo come cilindri per motori a scoppio, cilindri per compressori d aria, comunque soggetti a sbalzi termici. La designazione di questi tipi di ghisa comprende le lettere Gh seguite da un numero che rappresenta il valore della durezza Brinell (HB). Ghisa malleabile in getti (UNI 3799). Questi tipi di ghisa sono impiegati nella costruzione di organi meccanici soggetti a flessione, a torsione e ad urti. Il loro comportamento è simile all acciaio e come tali sono impiegati. Si lavorano con facilità alle macchine utensili dopo una normalizzazione. La designazione prevede tre tipi di ghisa malleabile, contrassegnati da una successione di lettere (GM,GMB, GMN) e da un numero che rappresenta il valore minimo della resistenza a trazione espresso in N/ mm². Ghisa malleabile corrente: GM 345 GMB 345 GMB 490 GMB 540 GMB 635 GMB 685. Ghisa malleabile a cuore nero: GMN 345 GMN 440 GMN 490 GMN 540 GMN 635 GMN

16 DESIGNAZIONE DELLE GHISE PRINCIPALI Ghise grigie Ghise sferoidali Ghise grigie non legate per getti colati in sabbia per uso automobilistico Difettosità nei getti. Le soffiature: i metalli allo stato liquido hanno la tendenza ad assorbire i gas contenuti nell aria con la quale vengono a contatto. In fase di solidificazione questi gas si liberano formando bolle caratteristiche delle soffiature, che sono causa di diminuzione delle caratteristiche meccaniche del pezzo. Per limitare l insorgere di soffiature e di altri difetti, nel metallo fuso vengono aggiunte sostanze deossidanti o degassanti. 15

17 Deformazioni geometriche. Durante il riscaldamento i metalli si dilatano (dilatazione termica). Al contrario, durante il raffreddamento si contraggono, dando luogo ai ritiri. Durante questa contrazione si generano tensioni nelle varie zone del pezzo, tensioni che possono provocare deformazioni o rotture cricche. MATERIALI METALLICI NON FERROSI Alluminio (Al) L alluminio è un metallo di colore bianco argento, il suo punto di fusione è di 660 C. Ha un peso specifico di 2,7 kg/dm³ (massa volumica) e un carico di rottura tra i 150/180 N/mm². La sua durezza Brinell è di HB. L alluminio possiede una elevata conduttività elettrica, resiste bene alla corrosione dell aria e ad agenti chimici. E duttile, malleabile e leggero. Adatto per le lavorazioni a freddo, possedendo un altissimo grado di deformabilità plastica. L alluminio viene lavorato per asportazione di truciolo con elevata velocità di taglio. Possiede, inoltre, una buona saldabilità, ma una scarsa resistenza mecanica. Viene commercializzato sotto forme di lastre, pani, lamiere, profilati, tubi, fili, ecc. L alluminio si classifica in base alla provenienza: metallo di prima fusione e metallo di seconda fusione. Leghe leggere Le leghe dell alluminio con l aggiunta in diverse percentuali di magnesio, silicio, rame, ecc. presentano caratteristiche fisiche e meccaniche molto diverse. Ogni elemento favorisce una caratteristica particolare: durezza, fusibilità, resistenza alla corrosione, ecc. Le leghe leggere sono più resistenti dell alluminio per la presenza di componenti quali: il rame (Cu Al²) o il magnesio e lo zinco (Mg Zn² Si). Le leghe leggere si dividono in: leghe da fonderia e leghe per lavorazioni plastiche. Leghe da fonderia Gli elementi di lega hanno lo scopo di aumentare la fusibilità, e di diminuire il ritiro del getto. La fusione può essere fatta in terra, in conchiglia o sotto pressione (pressofusione e iniettofusione). Leghe alluminio e rame (Cu 3 12%). Il rame è, in percentuale, l elemento preponderante. Possono essere presenti in percentuali modeste anche altri elementi quali lo zinco, il ferro, il magnesio, il nickel, il silicio ed altri. Il rame aumenta la resistenza meccanica, ma se presente con percentuale del 5,5% tende ad abbassare la resilienza. Questo tipo di lega leggera è impiegato nell industria automobilistica per costruire piantoni, testate di cilindri, per ruote, ecc. E una lega temprabile. E posta in commercio con i nomi di Termafond, Alcufond, Inafond. Leghe alluminio e magnesio (Mg 3 10% + 0,3 0,4%) Il magnesio aumenta il carico di rottura e la durezza. Queste leghe inoltre resistono bene alla corrosione e sono trattabili termicamente. Sono poste in commercio con i nomi di Corrofond e Peraluman. 16

18 Leghe alluminio e silicio (Si 4,5 20%) Il silicio conferisce alla lega con alluminio una elevata fluidità (fusibilità) che ne facilita la produzione di getti particolarmente complessi e con strutture sottili (spessore). La presenza del magnesio ne aumenta la durezza e, in genere, ne aumenta la qualità. La lega di alluminio e silicio al 13% di quest ultimo si chiama silumin. Quando la percentuale di silicio è intorno al 5 7% presenta una buona saldabilità. I nomi commerciali di queste leghe sono Sliafond e Inafond. Leghe alluminio magnesio (Mg 0,5 5%) Unitamente al silicio (0,7%) il magnesio dà origine a leghe adatte alla corrosione. Queste leghe non sono temprabili ma sono saldabili e molto adatte per la costruzione di strutture. I loro nomi sono Anticorodal e Anoxidel. Designazione delle leghe leggere secondo le norme UNI La simbologia UNI delle leghe di alluminio comprende, nell ordine: una lettera G per le leghe da fonderia;una lettera P per le leghe da lavorazioni plastiche, eventualmente seguita da una lettera minuscola indicante lo stato di fornitura, i simboli degli elementi componenti e le loro percentuali. Nelle leghe da fonderia la sigla iniziale G può essere seguita dalle lettere minuscole seguenti: s = lega per getti colati in sabbia; c = lega per getti colati in conchiglia; p = lega per getti colati a pressione; Nelle leghe da lavorazioni plastiche, la sigla iniziale P può essere seguita dalle lettere minuscole seguenti: t = lega in forma di estrusi, laminati o trafilati; f = lega in forma di fucinati e stampati. Alcuni esempi: Gc Al Cu10 Ni Si Mg (UNI 3042) E una lega per getti colati in conchiglia con il 10% di rame, contenente nickel, silicio e magnesio. P Al Si12 Mg Cu Ni (UNI3572) E una lega da lavorazioni plastiche con il 12% di silicio e magnesio, rame e nickel. La pressofusione a camera fredda In queste macchine il metallo viene prelevato di volta in volta, cioè ad ogni colata, da un forno di attesa collocato vicino alla macchina. Il metallo viene versato in una camera detta fredda ma che, in realtà, viene tenuta ad una temperatura di C. per evitare solidificazioni del metallo fuso. Il fondo della camera è costituito da un pistone mobile che si abbassa comprimendo la propria molla e si scopre il foro che collega la camera al canale di colata. Il metallo fuso, compresso dallo stantuffo, viene iniettato nella conchiglia. Quando lo stantuffo risale, anche il pistone inferiore risale per effetto della molla e trancia la materozza ormai solidificata ed espelle quindi la parte di metallo che non ha trovato posto nella conchiglia. 17

19 La figura sottostante mostra il processo della pressofusione a camera fredda. Il rame e le sue leghe Il rame è un metallo di colore rosso salmone. Ha il punto di fusione a 1083 C. La sua massa volumica è di 8,91 kg/dm³ (peso specifico). Il carico di rottura a trazione è di N/mm² La durezza Brinell intorno a HB. Il minerale più importante da cui viene ricavato è la calcopirite (CuFeS2) e la calcosina (Cu2S) che lo contengono in una percentuale da 1 a 4%, nonché dalla cuprite (Cu2O). Il rame è malleabile e molto duttile, viene anche trafilato a freddo per la produzione di fili anche di diametri particolarmente piccoli. E un ottimo conduttore elettrico e termico. Viene posto in commercio sotto forma di lastre, piastre, barre, pani, lingotti, fili, tubi, rottami. Viene usato soprattutto come conduttore nelle macchine e nei cavi elettrici. E il metallo base delle leghe dei bronzi e degli ottoni (leghe rosse). I bronzi I bronzi sono leghe metalliche costituite da rame e stagno (Sn può raggiungere 25 30%) miscelati in varie percentuali, possono contenere anche altri componenti. Il colore varia dal rosso rame (Sn meno del 5%) al giallo oro Sn 5 10%) al giallo chiaro (Sn più del 25%) 18

20 Nell industria meccanica sono impiegati bronzi con tenore di stagno (Sn) che va dal 6 al 16%. Il punto di fusione del bronzo è di circa C. e la massa volumica (peso specifico) è di 8,8 Kg/dm², che varia a seconda della composizione. Le caratteristiche meccaniche variano a seconda del tenore di Sn e di altri componenti. I bronzi si possono temprare e ricuocere. I bronzi si ottengono per fusione con successivo raffreddamento dei metalli che lo compongono (Cu, Sn, Zn, Pp) Per bronzo fosforoso si intende il bronzo allo stagno, molto ben disossidato con fosforo, che però deve essere eliminato, perché potrebbe nuocere alla tenacità. E posto in commercio sotto forma di pani, barre, lastre, semilavorati ottenuti da lavorazioni plastiche, rottami. Bronzi speciali e loro denominazione Tra i bronzi speciali si hanno: bronzo con cadmio per conduttori elettrici; bronzo al cobalto molto resistente alla corrosione; bronzo alla grafite autolubrificante per supporti; bronzo al piombo per cuscinetti che sopportano forti sollecitazioni. Alcuni esempi di denominazione di bronzi: - P Cu Sn8 (UNI 2527) Bronzo comune per lavorazione plastica con una percentuale di stagno pari a 8%. - BS CD 0,6 1 (UNI 2527) Bronzo speciale con cadmio al 6%. - P Cu Al 4 (UNI 2512) Bronzo per la lavorazione plastica con tenore di alluminio al 4%. - G Cu Sn8 Pb15 (UNI 7013) Bronzi in getti con tenore di stagno a 8% e 15% di piombo. Ottoni Gli ottoni sono leghe metalliche costituite da rame e zinco (Zn fino al 50%) ma possono fare parte della lega anche altri metalli. Il colore degli ottoni comuni varia dal rosso rame al giallo oro. Il punto di fusione dell ottone varia fra C. e la massa volumica (peso specifico) è compreso fra 8,20-8,50 kg/ dm³. Le variazioni sono determinate dalla composizione. Gli ottoni possono essere ricotti. L ottone si ottiene per fusione con successivo raffreddamento. Gli ottoni più comuni sono costituiti da Cu, Zn, Pb e Sn. Il piombo entra in lega nell ottone per facilitare le lavorazioni con asportazione di truciolo. Gli ottoni speciali abbisognano di un atteggiamento particolare nella fusione, rispetto agli ottoni normali. In commercio l ottone si trova sotto forma di pani, getti, lastre, barre, lamiere, semilavorati ottenuti da lavorazioni plastiche, tubi senza saldatura, molle e rottami. Le denominazioni commerciali degli ottoni comuni sono: ottoni per bossoli d artiglieria, per imbottitura, per lamiere, per getti, per lastre, per pezzi forgiati, per brasature dolci e forti. 19

21 Gli ottoni speciali hanno denominazioni del tipo: ottoni per eliche marine, Delta, Muntz, ecc. L ottone all alluminio (Cu 76% Al 12% e Zn il resto) ha una resistenza alla corrosione e all erosione molto buona. Esempi di designazione degli ottoni: - G Cu Zn 36 (UNI 5039) Ottone in pani con 63% di rame. - P Cu Zn 21 Al 2 (UNI 6401) Ottone all alluminio con 21% di zinco e il % di alluminio. La vecchia denominazione era OTS /& (UNI2021). - P Cu Zn 40 Pb2 (UNI ) Ottone per lavorazioni plastiche al piombo con 40% di Zn e 20% di Pb. TRATTAMENTI TERMICI E TERMOTECNICI Trattamenti termici degli acciai I trattamenti termici consistono in uno o più cicli di riscaldamento in condizioni e a temperature determinate, seguiti da raffreddamenti più o meno rapidi (in forno, in aria, in acqua, ecc..). La sensibilità degli acciai ai T.T. dipende prevalentemente dalla loro composizione chimica ed in particolare dal tenore di carbonio. I fenomeni che si verificano durante i T.T. dell'acciaio sono dovuti all'esistenza di diverse forme allotropiche del ferro (composto che può avere forme, proprietà chimiche e fisiche diverse). I suddetti fenomeni sono dovuti anche alla diversa solubilità per il carbonio presentata da queste fasi, nonché al sottoraffreddamento che si manifesta a seconda della concentrazione in carbonio e dalla velocità di raffreddamento. Se vogliamo aumentare la durezza degli acciai è sufficiente scaldarli a una determinata temperatura e poi raffreddarli velocemente in acqua o in olio. Lo stesso acciaio, se raffreddato molto lentamente, diventa invece dolce e lavorabile per deformazione plastica. L operazione di riscaldamento e successivo raffreddamento, per modificare le proprietà di una lega metallica, costituisce il trattamento termico. La modifica delle proprietà delle leghe metalliche è dovuta all azione del calore che cambia la struttura della lega. Ad ogni cambiamento di struttura corrispondono differenti proprietà meccaniche. Le proprietà delle leghe modificabili con i trattamenti termici sono: La durezza. La resistenza alle sollecitazioni. La tenacità. La lavorabilità (nell asportazione del truciolo sulle macchine utensili). La malleabilità. 20

22 La tempra La tempra consiste nel riscaldare il pezzo ad una determinata temperatura, detta anche temperatura di tempra, e quindi nel raffreddarlo bruscamente per immersione in un fluido (generalmente acqua od olio). La tempra viene effettuata solamente su acciai con una percentuale minima di carbonio dello 0,4%. Con il trattamento di tempra cambiano la struttura e le caratteristiche fisico-meccaniche dell'acciaio che vengono poi mantenute anche a temperatura ambiente. Con la tempra aumentano la resistenza a trazione e la durezza, ma diminuiscono la resilienza e l allungamento percentuale. Il riscaldamento e il raffreddamento del materiale, possono comportare piccole rotture (chiamate cricche di tempra). Questi inconvenienti possono essere evitati con un ciclo di tempra appropriato, ma anche in fase di progettazione-lavorazione, evitando spigoli vivi o raccordi troppo bruschi. Un acciaio temprato è lavorabile alle macchine utensili solamente mediante rettifica o utilizzando utensili speciali molto duri. Diagramma (semplificato) di un trattamento termico di tempra. Il punto A3 rappresenta la temperatura i cui si forma una particolare soluzione solida chiamata "austenite". Sotto il punto A1 non vi è più austenite. Tra i punti A1 e A3 è in atto la trasformazione strutturale. T C A3 A1 Tempo Le temperature ai punti A3 e A1 dipendono dal tipo di acciaio. La ricottura Il procedimento di ricottura è un T.T. che favorisce il riequilibrio del materiale, cioè sfrutta e controlla la diffusione degli atomi di ferro e carbonio, dalle posizioni di partenza, per assumere posizioni corrispondenti all'equilibrio strutturale. La ricottura consiste nel riscaldare il pezzo a una temperatura di poco superiore a quella di tempra e nel lasciarlo raffreddare molto lentamente. Diminuiscono la durezza e la resistenza a trazione; aumentano l'allungamento percentuale, la resilienza e la lavorabilità. La ricottura è un T.T. che ha lo scopo di addolcire i materiali metallicirendendoli più lavorabili alle macchine utensili e per deformazioni plastiche a freddo. Altri scopi particolari per cui viene eseguita la ricottura sono: 21

23 - annullare gli effetti della tempra (durezza e fragilità); - omogeneizzare la struttura degli acciai dopo le lavorazioni a caldo; - rigenerare i cristalli lesionati (incruditi) da lavorazioni a freddo come piegatura, imbutitura, ecc..; - annullare tempre locali dovute a saldature; - preparare l'acciaio a successivi trattamenti termici. Esempio (semplificato) di un diagramma di ricottura completa. T C A3 A1 Tempo Trattamenti termici di indurimento superficiale Alcuni organi meccanici, come ruote dentate, alberi, cuscinetti, pistoni, ecc richiedono una elevata durezza superficiale per poter resistere all usura nelle zone di contatto. Allo stesso tempo, devono possedere all interno una buona tenacità e resilienza. La durezza e la tenacità sono proprietà in antitesi, cioè non sono mai possedute da uno stesso materiale. Un acciaio con basso tenore di carbonio è tenace ma non temprabile; un acciaio con alto tenore di carbonio è temprabile ma poco tenace. Il problema si può risolvere in due modi: Rendendo diversa la composizione chimica tra cuore e superficie con arricchimento superficiale di carbonio (cementazione o carbocementazione). Rendendo diversa la struttura del pezzo fra cuore e superficie mediante un trattamento termico superficiale (tempra superficiale). Cementazione (Carbocementazione) e Tempra La cementazione consiste nel riscaldare il pezzo a contatto con elementi ricchi di carbonio, a una temperatura di circa 900 C. Le leghe idonee al T.T. sono quegli acciai con basso tenore di carbonio (0,1 0,2 %). Dopo la prima fase di cementazione (arricchimento esterno di carbonio per una profondità che dipende dal tempo di permanenza in forno), si procede con la tempra che permetterà di raggiungere una notevole durezza solo nella sezione esterna arricchita dal carbonio. L interno, che resta in acciaio dolce non prenderà la tempra, mantenendo così una forte resilienza. 22

24 Tempra superficiale La tempra superficiale consiste nel riscaldare lo strato superficiale dell acciaio sopra il punto critico usando un sistema rapido e nel temprare la zona riscaldata (con un raffreddamento superficiale in acqua). La tempra superficiale consiste quindi in una modificazione della struttura dell acciaio solo sulla superficie del pezzo, lasciando il cuore nella struttura originale. Gli acciai adatti a questo trattamento termico devono essere temprabili, cioè con un tenore di carbonio non inferiore a 0,4%. Siccome la tempra superficiale si esegue su pezzi che devono mantenere un cuore tenace (come ingranaggi, alberi); prima del trattamento l acciaio deve essere ricotto o normalizzato. La profondità della tempra ad induzione varia da 4 a 5 mm. Esecuzione del trattamento Il riscaldamento deve avvenire in un tempo molto rapido Solo la zona interessata alla tempra deve raggiungere la temperatura desiderata per potersi temprare. Il raffreddamento, anch esso rapido, viene effettuato per spruzzo o per immersione in liquido refrigerante. I sistemi per eseguire la tempra superficiale sono: per fiammatura o per riscaldamento ad induzione. Sistema per fiammatura. In questo sistema il pezzo viene riscaldato con uno spio cannelli ossiacetilenico e quindi raffreddato con getti di liquido refrigerante. Variando il tempo durante il quale si applica la fiamma su una certa superficie si possono ottenere spessori di indurimento superficiale variabili da 1 a 5 mm. Riscaldamento per induzione Il pezzo viene posto all interno di una bobina percorsa da corrente alternata ad alta frequenza e si riscalda per effetto delle correnti indotte generate dal campo magnetico della bobina stessa. Lo spessore riscaldato è tanto più piccolo quanto più alta è la frequenza della corrente. Successivamente, il pezzo viene immerso in acqua che ne completa il trattamento di tempra superficiale. Poiché il cuore del pezzo non ha subito il riscaldamento, non subirà neppure la trasformazione strutturale (tempra). Duro, ma fragile Tenero, ma tenace 23

25 Rinvenimento di distensione. Il rinvenimento di distensione si applica agli acciai temprati e consiste nel riscaldare il pezzo ad una temperatura compresa tra 150 e 250 C. Il raffreddamento potrà essere più o meno lento a seconda delle caratteristiche che si vogliono ottenere. Lo scopo principale è quello di ridurre sensibilmente le tensioni interne del materiale, derivanti dal T.T. di tempra, aumentandone la tenacità senza tuttavia diminuire in modo sensibile la durezza. Bonifica La bonifica consiste in un doppio T.T. cioè uno di tempra seguito da un rinvenimento. Il rinvenimento di bonifica consiste nel riscaldare l acciaio a una temperatura che varia tra i 400 e i 740 C. Viene effettuato su: acciai da bonifica ( C); acciai per molle ( C): acciai resistenti allo scorrimento a caldo ( C). Lo scopo della bonifica è quello di conferire all'acciaio una ottima caratteristica di compromesso fra resistenza e tenacità, diminuendo gli effetti negativi della tempra (fragilità e il modesto allungamento).. Il rinvenimento si realizza in tre fasi. 1. Riscaldare lentamente il forno fino ad una temperatura che varia in base al risultato che si vuole ottenere, ma sempre inferiore al punto critico. 2. Mantenere a tale temperatura il forno per il tempo necessario, in rapporto alle dimensione del pezzo. 3. Raffreddare fino a temperatura ambiente. Normalizzazione Il trattamento è identico a quello della ricottura per quanto riguarda il riscaldamento. Il raffreddamento, invece, avviene in aria tranquilla. La normalizzazione è un T.T. più veloce ed economico rispetto alla ricottura, perché non impegna i forni durante la fase di raffreddamento. Lo scopo della normalizzazione è di affinare e omogeneizzare la grana negli acciai che sono ottenuti per fucinatura o altri trattamenti a caldo (stampaggio o laminazione). Queste lavorazioni, infatti, vengono eseguite a temperature molto elevate e provocano, perciò, un eccessivo ingrossamento dei cristalli dell acciaio con conseguente aumento della fragilità e difficoltà nella lavorabilità. La normalizzazione conferisce durezza e resistenza maggiori della ricottura, perché il suo raffreddamento più rapido conferisce ai cristalli dimensioni più piccole e strutture più fini Per gli acciai a basso tenore di carbonio la normalizzazione è preferita alla ricottura qualora il materiale debba subire lavorazioni alle macchine utensili. La ricottura, infatti, renderebbe questi acciai troppo teneri e lavorabili con maggiore difficoltà alle macchine utensili. 24

26 La normalizzazione è inoltre indicata come trattamento termico preliminare per migliorare l efficacia dei trattamenti termici successivi, perché ne rende più omogenea la struttura. Questa è anche la ragione per cui molti acciai laminati in barre e tubi sono posti in commercio allo stato normalizzato T C Esempio (semplificato) del trattamento di normalizzazione A3 A1 Tempo Sistemi per evitare la cementazione negli acciai I sistemi per proteggere determinate zone di un acciaio dalla cementazione e, quindi, dalla successiva tempra, sono principalmente due: 1. Coprire la zona che non si vuole sia interessata alla carbocementazione e successiva tempra (anche se molto vicina alla zona da temprare) con paste protettive che vengono poi eliminate una volta effettuato il trattamento. 2. Prevedere sovrametalli nelle zone da proteggere. Detto sovrametallo verrà poi asportato una volta compiuta la carbocementazione prima della tempra. In tutti e due i casi le zone protette manterranno le stesse proprietà meccaniche e tecnologiche che le caratterizzavano prima del trattamento termico di tempra. I soprametalli nelle operazioni di rettifica cilindrica esterna interna o sui piani. Sui particolari meccanici che devono essere rettificati dopo le operazioni di tornitura fresatura o che sono stati trattati termicamente, si deve lasciare un soprametallo tale da permettere all operazione di rettifica di realizzare la forma geometrica e la quota prevista dal disegno. Il soprametallo cambia in funzione della lavorazione e delle dimensioni del particolare da rettificare. Mediamente, il soprametallo da prevedere è di circa 0,3 mm. 25

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