MATERIALI E LORO PROCESSI PRODUTTIVI

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1 MATERIALI E LORO PROCESSI PRODUTTIVI I metalli (e le loro leghe) non si trovano liberi in natura. I metalli sono presenti nei minerali che li contengono, allo stato di ossidi, carbonati, solfuri, silicati, e sono misti a rocce o terre dette ganghe. Le leghe vengono poi fabbricate mettendo insieme più metalli e non metalli. In generale, la METALLURGIA insegna i procedimenti atti a separare col calore il metallo da tutte le impurità. In particolare, la metallurgia del ferro è detta SIDERURGIA. Essa studia la trasformazione dei minerali che contengono ferro in ghisa, acciai, ferro. Il Ferro MATERIALI FERROSI Il Ferro non si trova libero in natura, ma viene estratto dai minerali che lo contengono. Allo stato puro è un metallo grigio lucente, molto malleabile. Tra le sue caratteristiche, ricordiamo: Massa volumica 7,87 ]kg/dm 3 ] Temperatura di fusione 1535 [ C] Resistenza a trazione [N/mm 2 ] Allungamento % Durezza Brinell Il ferro puro può presentarsi in quattro stati a seconda della temperatura a cui si trova: 1. Ferro α (alfa) 2. Ferro β (beta) o α non magnetico 3. Ferro γ (gamma) 4. Ferro δ (delta) Il Carbonio E un non metallo solido. In natura è diffuso sottoforma di: - calcare (carbonato di calcio) - dolomite (carbonato di calcio e magnesio) - carbon fossile - idrocarburo - anidride carbonica CO 2 - diamante Nelle leghe Fe-C, il carbonio può essere presente allo stato combinato sottoforma di carburo di ferro Fe 3 C (cementite), oppure allo stato puro come grafite. I materiali ferrosi impiegati nelle industrie e nelle costruzioni sono costituiti da leghe di ferro e carbonio. A seconda della percentuale presente nella lega, i materiali ferrosi sono così classificati: - Ferro, con C < 0,008 % - Acciaio, con C = 0,008 2,06 % - Ghisa, con C = 2,06 6,67 % 1

2 Le proprietà fisiche, meccaniche e tecnologiche di queste leghe dipendono essenzialmente dal tenore di carbonio in esse contenuto (e dal trattamento termico subito). L aumento della percentuale di carbonio nella lega causa: - aumento di resistenza a trazione, durezza, fusibilità - diminuzione di resilienza, allungamento, saldabilità, fucinabilità PRODUZIONE DELLA GHISA L impianto utilizzato per la trasformazione dei minerali di ferro in ghisa è l altoforno. In esso sono immesse, attraverso la bocca di caricamento, le cariche costituite da strati alternati di minerale (magnetite, ematite, limonite, siderite ), coke e fondente. Il prodotto principale dell altoforno è la ghisa madre, che può essere trasformata in acciaio in appositi forni detti convertitori. Nello schema seguente sono indicate le principali fasi del processo siderurgico. ALTOFORNO Ha forma di due tronchi di cono uniti e sovrastanti una base cilindrica. La struttura muraria è di mattoni refrattari silico-alluminosi (spessore da 60 a 100 [cm] dall alto in basso) ed è rivestita da un fasciame di lamiera (spessore da 20 [mm] in alto a 60 [mm] in basso).. Nomenclatura secondo Norme UNI TINO: ha forma che favorisce la discesa delle cariche e la permanenza alle alte temperature, nonché l aumento di volume per effetto del riscaldamento. VENTRE: è la zona di raccordo (D = 6 7 [m]). SACCA: l allargamento verso l alto fa diminuire la velocità dei gas che salgano ed investono le cariche. CROGIOLO: vi si raccoglie la ghisa (e la scoria che galleggia); ha D = 3 5 [m] ed h = 3 4 [m]. 2

3 Funzionamento dell altoforno Tramite soffianti viene inviata aria calda a 900 [ C] nella parte inferiore della sacca; avviene la seguente reazione: C+O2 CO2 con sviluppo di calore, la temperatura sale a 1900 [ C]. L anidride carbonica risale nella sacca reagendo con altro carbonio secondo la seguente reazione: CO2 + C 2CO con assorbimento di calore, la temperatura diminuisce a 1500 [ C]. L ossido di carbonio risale nel tino, riscalda le cariche e fuoriesce dalla bocca dell altoforno. Prima di uscire però reagisce con l ossido di ferro del minerale secondo la seguente reazione: FeO + CO Fe + CO2 L anidride carbonica risale nel tino e fuoriesce; il ferro, detto spugnoso perché intorno ai 700 C è tenero, discende alla base del tino e reagisce col carbonio secondo la seguente reazione: 3Fe + C Fe 3 C, che è il carburo di ferro (cementite). La cementite intorno ai [ C] fonde formando la ghisa, che si raccoglie nel crogiuolo. Sempre nel ventre intorno ai 1200 [ C] entra in azione il fondente, che reagisce con la ganga formando le scorie. Le scorie, essendo leggere, galleggiano sul bagno di ghisa nel crogiolo. Le scorie vengono asportate per affioramento mediante un apertura a lato. La ghisa poi scende per mezzo di un foro posto sul fondo del crogiolo. Prodotti dell altoforno Lo scopo principale dell altoforno è quello di produrre la ghisa madre. Nel contempo, però, risultano altri due sottoprodotti : le loppe (o scorie) ed i gas d alto forno. 1) GHISA MADRE Fuoriesce alla temperatura di [ C] dal foro di colata del crogiolo, attraverso un canale di colata ricavato su sabbia refrattaria Ha la seguente composizione media: Elementi % Carbonio 3 4 Silicio 1 3 Manganese 1 2 Fosforo 0,3 2 Zolfo 0,1 0,2 Ferro Il resto Il fosforo e lo zolfo sono elementi dannosi perché impartiscono fragilità alla ghisa. Lo zolfo è particolarmente nocivo perché fa anche aumentare il ritiro, diminuisce la colabilità, provoca soffiature. Il fosforo, in percentuale inferiore all 1,2 %, può essere utile perché aumenta la fluidità della ghisa che, quindi, risulta adatta per produrre getti di piccolo spessore. 3

4 La ghisa madre ha una delle seguenti destinazioni: - in acciaieria, per mezzo di carri-siluro, dove viene trasformata in acciaio; - in fonderia, per mezzo di grossi secchioni, per ottenere dei getti; - in piccole fosse di sabbia silicea (dove si raffredda lentamente) o in conchiglie metalliche raffreddate a pioggia d acqua (dove la ghisa si raffredda velocemente), formando dei pani che poi saranno rifusi in un altro stabilimento. 2) LOPPE Si tratta delle scorie che, risultando più leggere della ghisa, si separano da essa rimanendo nella parte superiore del crogiolo. Anch esse fuoriescono da un canale di colata dell altoforno. Sono costituite da silice, calce, ossidi di ferro Sono prodotte nella quantità di 0,3 tonnellate circa per ogni tonnellata di ghisa madre prodotta. Sono utilizzate per formare il cemento Portland (mescolate a gesso), per produrre isolanti termici, per costruire massicciate stradali. 3) GAS D ALTOFORNO I gas prodotti dalle reazioni che avvengono all interno dell altoforno non sono scaricati nell atmosfera ma, per motivi ecologici che economici, si preferisce convogliarli in opportuni ricuperatori (per sfruttare il loro potere calorifico, utile a preriscaldare l aria che poi verrà soffiata all interno dell altoforno stesso) oppure ad alimentare la centrale termoelettrica dello stabilimento (ricavando quindi energia elettrica). Nella centrale termica, il gas caldo proveniente dai ricuperatori Cowper (o scambiatori di calore), è utilizzato per riscaldare l acqua e produrre vapore, che servirà, mediante apposite turbine a vapore, a generare elettricità mediante un alternatore collegato alla turbina. L energia elettrica servirà poi ad azionare le soffianti, i montacarichi ecc. I gas sono anche utilizzati ad azionare turbine a gas che, alla stessa maniera, contribuiscono a generare elettricità. 4

5 FABBRICAZIONE DEGLI ACCIAI La ghisa madre prodotta con l Alto Forno è la materia base di partenza per la fabbricazione dell acciaio. Utilizzando particolari forni (detti convertitori ) si determina di fatto una riduzione della percentuale di carbonio nella ghisa (ricordiamo che gli acciai hanno un tenore di carbonio compreso tra lo 0,008 ed il 2,06). La fabbricazione degli acciai avviene secondo la successione delle seguenti fasi: 1) Carica Vengono immessi nel forno: - ghisa madre (solida o liquida a seconda del forno utilizzato) - rottame di ferro - scarificante (calce) 2) Fusione Mediante la reazione esotermica di un combustibile o per effetto Joule di una corrente elettrica, si perviene a riscaldare i materiali di carica sino alla loro fusione. 3) Affinazione Attraverso reazioni chimiche ad alta temperatura, inizialmente di ossidazione e successivamente di riduzione, vengono eliminati tutti o parte degli elementi che accompagnano il ferro della carica (silicio, manganese, zolfo, fosforo, carbonio ). In particolare - Desilicizzazione Il silicio si elimina introducendo nella ghisa fluida elementi ossidanti (aria, ossigeno puro, ossidi solidi). Dapprima si ha l ossidazione del ferro attraverso la seguente reazione: 2 Fe + O 2 2 Fe O L ossido ferroso si scioglie nel bagno e reagisce con il silicio: 2 Fe O + Si 2 Fe + Si O 2 L ossido di silicio è insolubile e più leggero per cui si separa dal bagno e si raccoglie nella scoria. La reazione è esotermica: la temperatura cresce favorendo l operazione successiva. - Decarburazione Il carbonio si elimina ad opera dell ossido ferroso: Fe O + C Fe + CO Il monossido di carbonio si elimina per gorgogliamento attraverso la massa liquida. 5

6 - Defosforazione Avviene in due fasi. Nella prima il fosforo si ossida formando pentossido di fosforo: 2 P O 2 2 P 2 O 5 Nella seconda fase il pentossido di fosforo reagisce con l ossido di calcio (calce viva), che può essere immesso o appartiene al rivestimento o presente nella scoria: si ottiene fosfato tricalcico che si separa e si raccoglie nella scoria: - Desolforazione P 2 O Ca O Ca 3 (P O 4 ) 2 Si compie in ambiente riducente, in presenza di scoria basica, ad alta temperatura, ad opera dell ossido di calcio: Fe S + Ca O Fe O + Ca S Il solfuro di calcio è insolubile e quindi si porta completamente nella scoria. La desolforazione è anche favorita dal manganese: Fe S + Mn Fe + Mn S Il solfuro di manganese passa nella scoria. - Degassificazione I gas del bagno, formatisi a seguito di varie reazioni, devono essere eliminati in quanto, permanendo nell acciaio ne provocherebbero soffiature ed effervescenza. 4) Finitura Con eventuali aggiunte di carbonio (in pratica aggiunte di ghisa) si perviene alla composizione finale dell acciaio, col tenore di carbonio richiesto dal committente. 5) Scorificazione L eliminazione delle scorie avviene per affioramento alla superficie del bagno. 6) Colata dell acciaio Può avvenire in apposite lingottiere oppure può essere continua. 6

7 CONVERTITORI La decarburazione della ghisa avviene in appositi forni detti convertitori, per mezzo di una corrente d aria compressa che ne attraversa la massa liquida. Tra i primi convertitori ricordiamo il Bessemer ed il Thomas, che forniscono però un acciaio non di qualità a causa della presenza di azoto (inserito con l aria). Di maggior qualità è l acciaio prodotto col convertitore L. D. (che utilizza ossigeno puro) o col forno elettrico. Convertitore L. D. Il convertitore L. D. è un grosso recipiente a forma di doppio tronco di cono con il fondo chiuso. Il procedimento utilizzato ha la sigla L. D. in quanto iniziali di Linzer Dusenverfahren, che vuol dire processo con lancia di Linz. In effetti una lunga lancia immette dall alto ossigeno puro nel convertitore che contiene: - Ghisa liquida per il 70 % - Rottame di ferro per il 30 % - Fondente e calce L azione decarburante dell ossigeno è molto energica e porterebbe la temperatura del forno a 2000 [ C] con grande rischio per il materiale refrattario dolomitico che riveste internamente il convertitore (esternamente vi è una lamiera avente spessore superiore ai 5 [cm]). Per questo viene introdotto rottame ferroso che, assorbendo calore, abbassa la temperatura del forno a 1650 [ C]. L ossigeno, alla pressione di 9 [dan/cm 2 ] ed alla velocità di 510 [m/sec], viene soffiato tramite una lancia costruita in materiale resistente alle alte temperature avente un ugello convergente-divergente ed un diametro di uscita di 60 mm. La lancia è distante 1,5 2,5 [m] dal bagno. 7

8 L affinazione della ghisa ha un andamento che segue le fasi precedentemente descritte, con l ossidazione prima del ferro, quindi del silicio e del manganese (che formano scorie galleggianti) ed infine del carbonio. Il fosforo si combina con la calce e forma una scoria galleggiante. Gli acciai ottenuti con questo procedimento sono di ottima qualità, presentando caratteristiche meccaniche e tecnologiche eccellenti (soprattutto quando si parte con ghisa avente lo 0,6 % di silicio, lo 0,9 % di manganese, tra il 4,3 ed il 4,5 % di carbonio, lo 0,03 % di zolfo e fosforo in percentuale inferiore all 1 %). Data l ottima qualità dell acciaio prodotto (privo di zolfo, con poco fosforo ed ossigeno), più del 75 % dell acciaio è fabbricato con tale metodo. Forno Elettrico Heroult Il forno elettrico ha il vantaggio di consentire un riscaldamento rapidissimo e di raggiungere temperature molto elevate e facilmente regolabili. Per la sua caratteristica forma, il forno Heroult è anche detto forno a culla. Si tratta di un forno a suola non conduttrice, provvisto di due o tre elettrodi di grafite (aventi diametro di [cm]), che producono archi elettrici tra gli elettrodi stessi ed il bagno metallico e viceversa. Il forno elettrico, oltre che per trattare la ghisa, è particolarmente adatto per la fabbricazione di acciai speciali partendo da un acciaio già raffinato. Colata dell acciaio L acciaio liquido fabbricato nel forno viene raccolto in un grosso recipiente detto secchione o siviera. Da qui può essere colato in lingottiere di ghisa, oppure effettuare la cosiddetta colata continua. 8

9 Semilavorati in acciaio L acciaio prodotto viene commercializzato sotto forma di semilavorati, che si ottengono mediante un processo detto di laminazione. La laminazione viene effettuata direttamente al termine della colata continua dell acciaio proveniente dal forno oppure sui lingotti ottenuti con la colata in lingottiera, che vengono riscaldati e, quindi, laminati. La tabella mostra alcuni tipi di semilavorati. Elementi aggiunti negli acciai e loro influenza Sappiamo che il carbonio é l elemento che ha l'influenza maggiore su tutte le proprietà degli acciai. Anche altri elementi, però, sono aggiunti volontariamente in fase di preparazione (soprattutto al forno elettrico), per conferire agli acciai particolari caratteristiche. Quasi sempre, negli acciai, vengono aggiunti più elementi, ottenendo una variazione di proprietà che, comunque, non è la somma delle variazioni che si possono ottenere separatamente con i singoli elementi. Il nichel é introdotto spesso negli acciai insieme al cromo e al molibdeno. Negli acciai da costruzione il nichel è in quantità variabili da 0,6 a 5 % e migliora le proprietà meccaniche e tecnologiche in misura maggiore rispetto a quella di tutti gli altri elementi normalmente aggiunti. In particolare: - aumenta la resilienza - aumenta l'allungamento percentuale e la duttilità - aumenta il carico di rottura a trazione e la durezza - facilita il trattamento termico di tempra. La presenza del nichel negli acciai è invece negativa per quanto riguarda: - la lavorabilità alle macchine utensili - la conducibilità termica. 9

10 Ugualmente fa il cromo, che è l elemento base degli acciai resistenti alla corrosione, quando la sua percentuale è superiore al 12 %. Il molibdeno determina un miglioramento della lavorabilità alle macchine utensili. Il tungsteno è usato soprattutto per la fabbricazione di acciai per utensili in percentuale da 10 a 25 % (acciai rapidi e superrapidi) dato che esso conferisce elevata durezza che viene mantenuta anche a caldo. Negli acciai per utensili (acciai superrapidi) il cobalto è presente in percentuale da 3 a 10 %. Trattamenti termici degli acciai Dalla tabella UNI : Trattamento termico è il ciclo termico o il complesso di cicli termici e quindi di operazioni di riscaldamento di permanenza a temperature determinate e di raffreddamento più o meno lento o rapido nell eventuale presenza di particolari mezzi o ambienti, che vengono eseguite su una determinata lega metallica allo scopo di conferire a tutto il materiale o a parte di esso, come ad esempio gli strati superficiali, particolari caratteristiche meccaniche e tecnologiche adatte al suo impiego. Esempio di ciclo termico: Per esempio, nel caso di un albero in acciaio: TRATTAMENTO FASI SCOPO Ricottura Riscaldamento + raffreddamento lentissimo in aria Rendere il materiale più lavorabile LAVORAZIONE ALBERO Normalizzazione Riscaldamento + raffreddamento lento in aria Predisporre il materiale alla tempra Tempra Riscaldamento (circa 500 C,oltre la temperatura di Austenitizzazione) + Conferire durezza al materiale raffreddamento brusco (nel caso di tempra diretta) Rinvenimento Riscaldamento (T< 721 C) + raffreddamento Conferire tenacità al materiale FINITURA ( RETTIFICA ) 10

11 Per l esecuzione dei trattamenti termici occorrono mezzi per riscaldare (forni), mezzi per misurare la temperatura (pirometri) e mezzi per raffreddare (acqua, olio, aria ). La figura che segue rappresenta un forno a muffola. 1. porta scorrevole 2. materiale refrattario 3. suola refrattaria 4. elemento riscaldante ( resistenze NICHEL - CROMO ) 5. materiale refrattario 6. materiale isolante 7. rivestimento metallico ( lamiera ) Un trattamento di tempra seguito da un rinvenimento a circa 550 [ C] prende il nome di Bonifica e gli acciai, che acquistano ottime proprietà meccaniche, sono denominati acciai bonificati. Quando si voglia modificare solamente la composizione chimica degli strati superficiali di pezzi meccanici (e quindi anche le proprietà meccaniche e tecnologiche di tali strati), si effettuano dei Trattamenti termochimica di diffusione. Tali trattamenti consistono nel far assorbire ai pezzi, portandoli ad adatte temperature, elementi chimici con cui hanno affinità: carbonio, azoto, zolfo Si parla allora di Carbocementazione, Nitrurazione, Solforazione Es: Una ruota dentata si può costruire in acciaio dolce, tenace in tutta la massa per resistere agli urti e sforzi; per poi indurirla superficialmente per dar modo ai denti, soggetti a logorio, di resistere all usura. 11

12 MATERIALI SINTERIZZATI Sono ottenuti con la cosiddetta Metallurgia delle polveri, che passa attraverso le seguenti fasi: 1) Miscelazione delle polveri Gli elementi della lega vengono miscelati al fine di ottenere una mescola omogenea 2) Pressatura delle polveri Le polveri miscelate vengono pressate dentro appositi stampi in acciaio o metallo duro con una pressione che dipende dalla densità che si vuole ottenere sul pezzo stampato. Il materiale compresso rimane aggregato grazie alle saldatura a freddo che lega i vari grani di polvere. 3) Sinterizzazione Questo processo consiste nel portare il prodotto ad una temperatura al di sotto di quella di fusione che consente agli elementi del composto di legare tra di loro. In questa fase di produzione il particolare acquisisce le caratteristiche meccaniche necessarie a soddisfare le esigenze per il suo impiego. Dopo la sinterizzazione può essere eseguita una ricompressione per ridurre la porosità ed una nuova sinterizzazione per aumentare la densità con un sensibile incremento delle proprietà meccaniche richieste nel caso di componenti strutturali dinamicamente molto sollecitati. Può essere effettuata una calibratura dei particolari sinterizzati per ottenere tolleranze di qualità IT 10 IT 12. I particolari sinterizzati possono essere sottoposti a rivestimenti quali la zincatura e la nichelatura e possono subire una impregnazione di olio o resina con lo scopo di riempire i pori ed aumentare la resistenza all usura nei meccanismi soggetti a strisciamento (es.: boccole). 12

13 MATERIALI NON FERROSI Il Rame e sue leghe Il rame può trovarsi: - allo stato puro (laghi superiori negli Stati Uniti) - come composto nei minerali calcopirite, calcosina e cuprite Il rame è un metallo che con facilità forma leghe con altri metalli, in particolare con stagno, zinco, alluminio, nichel, piombo, cromo, silicio, manganese, cadmio, cobalto e berillio. - Bronzi Sono leghe rame-stagno con stagno inferiore al 28 %. Si distinguono: - bronzi ordinari o binari, contenenti solo rame e stagno - bronzi speciali contenenti, oltre allo stagno, anche altri elementi quali alluminio, nichel, fosforo L aumento della percentuale di stagno determina un aumento della durezza della lega ed una diminuzione dell allungamento. La resistenza a trazione aumenta fino a percentuali di stagno del 15 % per poi diminuire quando la percentuale di tale elemento aggiunto supera il % a causa della formazione di un costituente molto duro e fragile (detto costituente δ ). - Ottoni Sono leghe rame-zinco con zinco inferiore al 45 %. Si distinguono: - ottoni ordinari o binari, contenenti solo rame e zinco - ottoni speciali contenenti, oltre allo zinco, anche altri elementi quali piombo, alluminio, nichel, manganese L aumento della percentuale di zinco determina un aumento della durezza della lega ed una diminuzione dell allungamento. La resistenza a trazione aumenta fino a percentuali di zinco del 45 % per poi diminuire quando la percentuale di tale elemento aggiunto supera tale valore limite. L Alluminio e sue leghe L alluminio non si trova allo stato puro, bensì sotto forma di ossidi e di silicati. E un metallo molto leggero, tenero, di limitata resistenza a trazione. L alluminio è un metallo che con facilità forma leghe con altri metalli, in particolare con silicio, alluminio, rame, magnesio. Si distinguono due categorie delle leghe dell alluminio: leghe da fonderia (indicate con la lettera G) e leghe per deformazione plastica (indicate con la lettera P). 13

14 MATERIE PLASTICHE Sono prodotti costituiti da molecole organiche semplici (azoto, carbonio, idrogeno, ossigeno, cloro, fluoro, zolfo, silicio ) in grado di legarsi le une alle altre qualora siano sottoposte a determinate reazioni atte ad ottenere complessi macromolecolari disposti in lunghe catene. Le reazioni chimiche fondamentali che permettono la formazione delle molecole giganti sono la condensazione e la polimerizzazione. 1) Condensazione E una reazione chimica nella quale due o più molecole organiche semplici della stessa o diversa specie chimica si combinano tra loro con eliminazione di acqua o, secondo i casi, di alcool, ammoniaca, acido cloridrico. 2) Polimerizzazione E una reazione chimica capace di unire molecole organiche semplici della stessa specie chimica in un solo complesso macromolecolare in presenza di un adatto catalizzatore Il calore o la luce ultravioletta, un acido ) STRUTTURE MACROMOLECOLARI Secondo le norme UNI 4266 la materia plastica o resina sintetica è un prodotto artificiale a struttura macromolecolare che in determinate condizioni (temperatura e pressione) assume una consistenza plastica e può essere quindi formato con tecnologie varie. La rappresentazione grafica può essere di tre tipi: - Macromolecola lineare omogenea E del tipo: - A A A A A con A la molecola di una sostanza organica semplice. - Macromolecola lineare costituita da più sostanze semplici E del tipo: - A B A B A B A - con A e B le molecole di due sostanze organiche semplici. - Macromolecole reticolate Sono del tipo: A B A B A - B A A B A B A - B : C B A B A - B C C B A B A - B Con A, B e C le sostanze semplici capaci di reagire fra loro e di collegarsi come reticolo. 14

15 MATERIALI COMPOSITI Può essere considerato composito un materiale nel quale due o più costituenti, fisicamente distinti, spesso di natura e forma notevolmente diverse, sono artificialmente combinati in macrostrutture, allo scopo di creare un materiale con proprietà specifiche differenti da quelle di ambedue i costituenti. Nella mappa seguente è descritta sinteticamente la costituzione di un materiale composito: MATERIALE COMPOSITO Due o più costituenti, distinti, artificialmente combinati Fase continua Fase discontinua Matrice Rinforzo Plastica Metallica Ceramica Fibroso Particellare Resine Lega di Zn, Al Fragile Vetro Carbonio Minerale Polveri di Si C Poliestere Fenoliche Per T < 2000 Per T < 200 Ø 10 µ 15