Classificazione dei metalli

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1 Prof. Carlo Carrisi

2 Classificazione dei metalli Leggeri: magnesio (Mg), alluminio (Al), titanio (Ti) hanno buona resistenza meccanica e sono molto leggeri. Ferrosi: il ferro (Fe) è il metallo più usato sia come acciaio sia come ghisa. Il cromo (Cr), il manganese (Mn), il cobalto (Co) e il nickel (Ni) sono usati in lega con l acciaio. Malleabili e anticorrosione: il rame (Cu) è resistente alla corrosione. Zinco (Zn), stagno(sn) e piombo (Pb) sono molto malleabili e resistenti alla corrosione. Preziosi: Argento (Ag), platino (Pt) e oro (Au) sono molto rari.

3 Caratteristiche e proprietà dei materiali Conoscere le proprietà dei materiali è di primaria importanza per poter fabbricare prodotti il più efficienti possibili. Macchina utensile La conoscenza delle proprietà ci consente di scegliere il materiale più adeguato; di scegliere la tecnica di lavorazione più adatta; di produrre oggetti il più sicuri possibili rispetto all uso.

4 Caratteristiche e proprietà dei materiali Si suddividono in: CARATTERISTICHE CHIMICO-FISICHE Si riferiscono alla struttura chimica ed al loro aspetto esterno PROPRIETÀ MECCANICHE Si riferiscono alla capacità di resistenza alle sollecitazioni statiche e dinamiche PROPRIETÀ TECNOLOGICHE Si riferiscono al comportamento dei materiali durante le lavorazioni Alcune proprietà sono comuni a materiali diversi (ad esempio il peso specifico e i vari tipi di resistenza); altre sono tipiche solo di alcuni materiali (ad esempio, la fusibilità è tipica dei metalli).

5 Le caratteristiche chimico-fisiche si riferiscono alla struttura interna dei materiali ed al loro aspetto esterno. Le più importanti sono: 1. Peso specifico/densità È la massa (in grammi) di un volume determinato (in cm 3 ) di un materiale. 2. Temperatura di fusione Indica la temperatura specifica per cui un materiale fonde per l effetto del calore. 3. Conduttività termica È la proprietà di lasciarsi attraversare dal calore. 4. Conduttività elettrica È la proprietà di lasciarsi attraversare dalla corrente elettrica. 5. Dilatazione termica È la proprietà di alcuni materiali di aumentare (o diminuire) le loro dimensioni per effetto del calore (o del freddo).

6 Caratteristiche chimico-fisiche 1. Peso specifico/densità L oro è un metallo molto pesante mentre Il legno è leggero. 2. Temperatura di fusione I metalli sono materiali adatti alla fusione. 3. Conduttività termica In genere i metalli sono buoni conduttori. 4. Conduttività elettrica Cavi di rame per impianti elettrici. 5. Dilatazione termica I binari delle ferrovie.

7 Le proprietà meccaniche evidenziano il comportamento dei materiali quando vengono sottoposti ad una forza che tende a deformarli. Le più importanti proprietà meccaniche sono: 1. Durezza Indica la resistenza che i materiali oppongono all essere graffiati o penetrati da altri. 2. Resistenza alle sollecitazioni Capacità di resistere a trazione, flessione, compressione, taglio, torsione fino al carico di rottura. 3. Resilienza (o tenacità) e fragilità La tenacità è la proprietà dei materiali di resistere a sollecitazioni dinamiche, deformandosi prima di rompersi. Il legno presenta un grado di durezza scarso.

8 4. Resistenza alla fatica È la proprietà che hanno i materiali di resistere a sforzi variabili e di direzione contrapposta. 8. Elasticità È la proprietà per la quale un materiale sottoposto all azione di una forza si deforma, per tornare a riassumere la propria forma iniziale nel momento in cui la forza cessa la propria azione.

9 2. Resistenza alle sollecitazioni 2. TAGLIO Nei laboratori specializzati, un campione di materiale viene sottoposto alle stesse sollecitazioni, fino al punto di rottura. 1. TRAZIONE 3. TORSIONE 4. FLESSIONE flessione 5. COMPRESSIONE torsione trazione compressione taglio Campioni di materiali sottoposti alle varie prove di resistenza. Esempio di applicazione pratica.

10 Le proprietà tecnologiche si definiscono osservando il comportamento dei materiali durante la loro lavorazione, quando sono sottoposti ad una forza esercitata da un utensile. Sono molto numerose, e le più comuni sono: Plasticità È la proprietà dei materiali di deformarsi in maniera permanente senza rompersi. Duttilità È la proprietà di un materiali di lasciarsi ridurre in fili sottili. Malleabilità È la proprietà di alcuni materiali di deformarsi permanentemente in forma di lamine o lastre.

11 Curvabilità Proprietà di assumere forme curve senza subire alterazioni strutturali. Fendibilità Attitudine a lasciarsi dividere in due parti con un cuneo. Attitudine al taglio Attitudine al taglio di una lama. Lucidabilità Capacità di un materiale di farsi levigare e lucidare in superficie.

12 Le Leghe Combinazione di due o più metalli: -resistenza meccanica maggiore -resistenza alla corrosione più alta -possibilità di agire su proprietà desiderate LEGA: miscela di due o più metalli o di un metallo con un non metallo, lo scopo è di migliorare alcune proprietà del prodotto finale rispetto a quello di partenza.

13 Centro siderurgico La siderurgia è il metodo industriale per estrarre il ferro dai suoi minerali. Nel centro siderurgico a ciclo integrale si realizza il ciclo completo: si preparano le materie prime, nell altoforno si fondono i minerali e si ottiene la ghisa, nell acciaieria si converte la ghisa in acciaio, nel laminatoio si producono i semilavorati in acciaio.

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15 La ghisa la ghisa è una lega composta principalmente da ferro e da carbonio in percentuale variabile da un minimo del 2% a un massimo del 4%. La quantità di carbonio determina una variazione delle proprietà: la ghisa può presentarsi sotto forma di ghisa bianca o grigia. La ghisa bianca è quella più importante, ricca di cementite, con una durezza elevata, impiegata sopratutto nella produzione dell acciaio. La ghisa grigia contiene carbonio libero sottoforma grafitica che le conferisce un caratteristico colore scuro, ha un durezza elevata ed è lavorabile mediante funzione. Ha caratteristiche meccaniche inferiori all acciaio ma ha un ottima fusibilità. E il materiale ideale per fare oggetti complicati con funzioni statiche come la fontanella stradale.

16 L acciaio Lega di ferro e di carbonio in una percentuale che varia da un minimo dello 0.15% a un massimo dell 1.7%. Le ottime caratteristiche meccaniche e tecnologiche ne fanno il materiale più utilizzato nelle industria meccanica. E duttile e malleabile, per tale ragione, può essere impiegato per ottenere lamiere e fili; grazie alla sua elasticità è ideale anche per la produzione di molle. Ha grande tenacità e resistenza a ogni tipo di sollecitazione meccanica. L acciaio da costruzione: - ha resistenza meccanica; - facilità di lavorazione; - può arrugginire. L acciaio da utensili è: - molto duro. L acciaio inox è: - duro; - lucente; - non arrugginisce. L acciaio al manganese:

17 L alluminio L alluminio (Al) è un metallo presente in quasi tutte le rocce, soprattutto sotto forma di ossidi. E duttile, malleabile e molto leggero (il suo peso specifico è di 2,7 kg/dm3 ); è inoltre un buon conduttore di calore e di elettricità, tanto da essere utilizzato per produrre cavi elettrici. Si ricava da un minerale detto bauxite, la cui estrazione richiede tempi lunghi ed è piuttosto complesso. il materiale ottenuto è poi filtrato e sottoposto a calcinazione in forno. La raffinazione definitiva dell alluminio avviene per elettrolisi.

18 LE LEGHE DI ALLUMINIO Le leghe d alluminio hanno come caratteristica principale quella di unire la resistenza meccanica a una notevole leggerezza; ciò le rende utili nei settori automobilistico e aeronautico. La più utilizzata è il duralluminio, formata dal 95% di alluminio, dal 4% di rame e da piccole percentuali di magnesio e manganese. Altra lega di grande importanza è l anticorrodal, che contiene anche l 1,1% di silicio ed è molto resistente agli agenti atmosferici e alla corrosione. La scala pieghevole ha: - resistenza meccanica; - resistenza alla corrosione; - leggerezza. Il radiatore è: - in alluminio comune. I cavi dell alta tensione: - sono in alluminio elettrolitico. Le carrozze ferroviarie: - sono costruite con leghe leggere di alluminio e magnesio.

19 Il Rame Il rame (Cu) si ricava da numerosi minerali, uno dei più importanti è la calcopirite. I principali giacimenti di questo minerale sono in Cile e negli Stati Uniti. L estrazione del metallo è molto complessa e porta a due tipi di prodotto: il rame metallico e il rame elettrolitico.

20 LE LEGHE DEL RAME ottone: È costituito da rame e zinco che può arrivare fino al 40%; questa lega è molto diffusa nel campo della rubinetteria. bronzo: È costituito da rame e stagno; lo stagno può arrivare fino al 28% a seconda che la lega sia impiegata per parti meccaniche, per la costruzione di campane oppure per le sculture. Il tubo di rame comune è: -resistente alla corrosione; - facile da lavorare. Il motore elettrico ha: - l avvolgimento in filo di rame elettrolitico. Il rubinetto è: - di ottone (rame + zinco), lega che possiede durezza, facilità di fusione e resistenza alla corrosione. La campana è: - di bronzo (rame + stagno), lega che resiste bene all usura ed è facilmente fusibile.

21 METALLI COMUNI Zinco (Zn) è un metallo di colore bianco-bluastro, possiede una grande resistenza agli agenti atmosferici: infatti, se esposto all aria, si ricopre di un sottile strato che lo protegge da ulteriori aggressioni. Per questa sua caratteristica viene usato per rivestire lamiere, fili e tubi di acciaio che devono essere usati all aperto. In lega con il rame per la produzione dell ottone. Si estrae dai suoi minerali, il più importante dei quali è la blenda. Stagno (Sn) è un metallo di colore chiaro e lucente, molto malleabile ma poco duttile, resiste molto bene alla corrosione. Viene usato per la realizzazione di leghe per saldature dolci (a stagno). Entra in numerose leghe di grande importanza, come i bronzi comuni e speciali, è un metallo fondamentale per la produzione della latta. Cromo (Cr) ha un colore grigio-azzurro chiaro e lucente. Possiede una grande resistenza agli agenti atmosferici, tanto che viene utilizzato per coprire altri materiali per via elettrolitica, in particolare l acciaio e l ottone (acciaio e ottone cromati), usato in lega con ferro e nichel negli acciai inossidabili. Piombo (Pb) è un metallo tenero, malleabile e duttile, colore grigio. Resiste bene agli agenti atmosferici e, in genere, anche agli acidi. Viene utilizzato per la fabbricazione degli elementi degli accumulatori elettrici, è in grado di assorbire le radiazioni, per cui viene utilizzato per realizzare pannelli di protezione per operatori in zone radioattive. Titanio (Ti) ha un colore argenteo, l estrazione è alquanto complessa e costosa. Il complicato e dispendioso processo di produzione ha fatto si che il titanio fosse utilizzato solo per produrre oggetti di pregio. Un ottima resistenza meccanica, che lo rendono paragonabile agli acciai inossidabili ma con circa la metà del peso. Tali caratteristiche rendono il titanio e le sue leghe ideali nell industria aeronautica e aerospaziale.

22 METALLI NOBILI Oro (Au) si trova allo stato nativo nelle rocce. Si ricava fili e lamine finissime è uno dei metalli più pesanti (peso specifico pari a 19,32kg/dm³). Quando è puro (24 carati) è poco utilizzato perché troppo tenero. In lega con il rame e l argento trova applicazione in oreficeria al titolo di 18 carati (18 parti d oro su 24). L oro bianco è costituito da una lega di oro e platino (oro all 80%) e viene usato sia in oreficeria sia in odontotecnica. Argento (Ag) è un metallo nobile, si trova in natura sia allo stato nativo, in blocchi anche di diversi chilogrammi, sia sottoforma di un composto chiamato argentite (solfuro d argento). Duttile, malleabile, ottimo conduttore di elettricità e di calore. L argento puro è impiegato di rado, in quanto molto tenero e poco resistente. In lega con il rame, invece acquista durezza e resistenza meccanica, per cui viene utilizzato per la produzione di monete, vasi, piatti, vassoi, posate, candelabri, statuette e oggetti di lusso, in genere in lega di 800 millesimi (cioè 80% di argento e 20% di rame). Platino (Pt) è un metallo nobile di colore bianco argento, duttile, malleabile e tenero. E ancora più pesante dell oro. E inossidabile e non viene attaccato dagli acidi. Viene utilizzato in lega con l oro e il rame sia in oreficeria sia in odontotecnica.

23 PRODUZIONE E LAVORAZIONE DEI METALLI I minerali si trovano nel sottosuolo misti a terra e rocce, pertanto devono essere prelevati mediante escavazione nelle miniere poste nelle zone dove si trovano i minerali. questi vengono quindi trasportati negli stabilimenti metallurgici dove, con una serie di lavorazioni, si giunge alla produzione dei metalli.

24 Le lavorazioni plastiche dei metalli

25 Le lavorazioni plastiche dei metalli

26 Lavorazioni mediante macchine utensili

27 Lavorazioni mediante macchine utensili

28 Lavorazioni mediante fusione

29 Lavorazioni mediante saldatura

30 Riciclaggio in Italia Responsabilità ambientale In Italia l alluminio secondario è la fonte principale di materia prima di questo metallo. La provenienza dell alluminio secondario è: da rottame nazionale per il 70% e da rottame d importazione per il 30%. Con la produzione di alluminio secondario si risparmia il 95% dell energia. Nei contenitori per la raccolta differenziata dell alluminio (raccolto spesso insieme a vetro e plastiche) puoi introdurre: - lattine per bibite e conserve con simbolo AL ; - bombolette spray private dei nebulizzatori di plastica; - fogli di carta d alluminio; - vaschette per alimenti.