Metalli. Punti di ebollizione e di fusione molto alti. Alta densità. Non solubilità. Legami non direzionati. Malleabile. Opacità e lucentezza

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1 Metalli Il legame metallico può essere rappresentato da un reticolo di ioni positivi immersi in elettroni delocalizzati liberi di muoversi all interno del reticolo Gli elettroni, carichi negativamente, attraggono gli ioni positivi e tengono insieme i nuclei, garantendo la stabilità della struttura Caratteristiche del legame metallico Legami forti Proprietà del materiale Punti di ebollizione e di fusione molto alti Alta densità Non solubilità Legami non direzionati Duttili Malleabile Elettroni delocalizzati Buoni conduttori di calore ed elettricità Opacità e lucentezza 1

2 Metalli La maggior parte dei metalli sono riconducibili a tre strutture cristalline. Cubica a facce centrate N.C. = 12 APF = 0,74 Cubica a corpo centrato N.C. = 8 APF = 0,68 Esagonale compatto N.C. = 12 APF = 0,74 2

3 Metalli 3

4 Leghe Metalliche Le leghe metalliche sono miscele di metalli o di metalli e nonmetalli che solidificando presentano proprietà metalliche. Sono ottenute generalmente a partire dai metalli allo stato fuso e poi raffreddando con cautela. Le leghe hanno spesso proprietà diverse dai suoi componenti Le proprietà non variano linearmente con la composizione Permettono di ottenere proprietà specifiche o ottimizzare un insieme di proprietà. 4

5 Leghe Metalliche Metallo base = elemento in maggiore quantità ( Lega di piombo Lega di Ferro, Lega di rame ) Elementi di alligazione = Elementi secondari che contribuiscono alle caratteristiche della lega. Vengono appositamente studiati e dosati Non sono da confondere con le impurezze Elementi di alligazione Metallo base 5

6 Leghe Metalliche Variazione delle proprietà delle leghe Composizione della lega Struttura intrinseca 6

7 Leghe Metalliche Soluzioni solide: Struttura delle leghe Gli atomi degli elementi coesistono nella stessa struttura cristallina Cristalli di sostituzione o interstiziali Limiti di miscibilità Composti intermetallici: Cristalli di composizione definita e costante che non seguono le regole delle valenze (es.cu 3 Al, Ag 5 Cd 8 ) Miscele meccaniche: Miscele eterogenee di cristalli di elementi, soluzioni solide o composti intermetallici 7

8 Ferro, Acciai e Ghise FERRO LEGHE FERROSE Il ferro supera il 50 % in peso della lega ACCIAI Max 1.7% C GHISE 2% < C < 4% LEGHE NON FERROSE Basate su altri elementi in concentrazioni tali che il ferro, se presente, lo è come impurezza più o meno controllata. 8

9 Ferro, Acciai e Ghise 9

10 Ferro, Acciai e Ghise Il ferro è il quarto elemento in ordine di abbondanza, costituisce il 5.1% della crosta terrestre ed è contenuto in quantità variabile in quasi tutte le rocce della litosfera. Allo stato elementare (Fe) si trova sulla terra nelle meteoriti (sideroliti) e come corpo del nucleo terrestre, di solito accompagnato da altri metalli in lega (nickel e cobalto). Il ferro nativo di origine terrestre è piuttosto raro e contiene cobalto (1-2 %) I minerali utili nell'estrazione del ferro sono ossidi solfuri Ematite (Fe 2 O 3 ) Magnetite (Fe 3 O 4 ) Limonite (Fe 2 O 3 nh 2 O) Carbonato di Ferro (FeCO 3 ). Pirite (FeS) Marcasite Pirrotina 10

11 Allotropia del Ferro 11

12 Allotropia del Ferro La forma "α", ferromagnetica, è stabile dalla temperatura ambiente fino a 760 C (temperatura di transizione, detta di Curie ) al di sopra della quale, pur mantenendo la stessa struttura, perde la caratteristica della magnetizzazione permanente. Perciò per un certo tempo, nei primi anni del '900, questa forma "α" nonferromagnetica venne definita come forma "β", stabile fino a 910 C Da 910 C questa temperatura fino a 1390 C è stabile la forma "γ" che si trasforma nella forma "δ" stabile, a sua volta, fino al punto di fusione a 1535 C. Il ferro liquido sussiste alla pressione di 1 atmosfera fino a 2862 C che rappresenta la temperatura di ebollizione. 12

13 Acciaio Acciaio Ghisa Lega di ferro e carbonio con tenore di carbonio inferiore all'1,8%. Le leghe con una percentuale maggiore, fino al 6% Molto spesso nell'acciaio sono presenti anche altri elementi, che hanno lo scopo di conferire al materiale proprietà particolari. 13

14 Tipologie di leghe Eutettoide (Fe 3 C) α, ferrite 0,02% C Ferrite + Cementite N.B. Fe 3 C (cementite) non è una fase di equilibrio 14

15 Tipologie di leghe A Acciai ipo-eutettoidici: < 0.8% C A C B - Acciai eutettoidici: 0.8% C B C - Acciai iper-eutettoidici: > 0.8% C 15

16 Tipologie di leghe A Acciai ipoeutettoidici: < 0.8% C 16

17 Tipologie di leghe B - Acciai eutettoidici: 0.8% C Si forma una miscela eutettica chiamata Perlite 17

18 Tipologie di leghe C - Acciai ipereutettoidici: > 0.8% C 18

19 Produzione Minerali di ferro ottenuti scavando miniere sotterranee o a cielo aperto La metallurgia del ferro è essenzialmente una metallurgia di riduzione dove l'agente riduttore fondamentale utilizzato in siderurgia è l'ossido di carbonio CO La trasformazione del minerale di ferro in ferro metallico, o meglio in una lega di ferro e carbonio chiamata ghisa, ha luogo nell'alto forno. L'alto forno è un forno a tino di grandi dimensioni: 8-10 metri di diametro massimo, 30 e più metri di altezza. Sono presenti anche 3 o 4 scambiatori di calore, usati per preriscaldare l'aria, alti circa come il forno. L'altoforno è mantenuto in funzione per 24 ore al giorno, per 7 giorni alla settimana. 19

20 Produzione L'alto forno è sorretto da una robusta incastellatura esterna di acciaio su cui si scarica il peso della muratura refrattaria. Questa è rivestita nella sua quasi totalità da una lamiera di acciaio dello spessore di pochi millimetri, su cui scorre continuamente un velo di acqua di raffreddamento. Il tino e la sacca sono in refrattario silico-alluminoso a tenore di allumina crescente a mano a mano si scende verso il basso; il crogiolo, e talvolta anche la parte inferiore della sacca, sono in refrattario grafitico. 20

21 Produzione Dalla bocca, situata alla sommità del tino, viene introdotta la carica solida, costituita da strati alterni di minerale di ferro coke siderurgico Fondente e scorificante generalmente calcare CO 2 + C CO C +O 2 CO 2 21

22 Produzione 3 Fe 2 O 3 + CO 2 Fe 3 O 4 + CO 2 H= cal Fe 3 O 4 + CO 3 FeO w + CO 2 H= cal Wustite FeO w + CO Fe + CO 2 H= cal 3Fe + 2 CO Fe 3 C + CO 2 Cementite Formazione di idrogeno da CO e acqua: CO + H 2 O H 2 + CO 2 Azione riducente dell idrogeno Fe 2 O H 2 2 Fe + 3 H 2 O Fe 3 O H 2 3 Fe + 4 H 2 O 22

23 Produzione Alla base del forno, il metallo fuso, raccolto nel crogiolo, viene versato in secchioni di colata, o siviere, di capacità tale da contenerne 300 t. Il ferro esce dal forno sotto forma di getto incandescente a 1500 C. La quantità spillata ogni volta dipende dalle dimensioni del forno. Nella parte inferiore del tino ha luogo anche la formazione della scoria o loppa 23

24 Produzione 24

25 Produzione Il ferro prodotto dall'altoforno contiene circa il 5% di carbonio e risulta troppo fragile per molte applicazioni. La maggior parte di questo carbonio deve essere rimosso e così pure piccole quantità di altri elementi, quali fosforo, silicio e alluminio, perché il materiale acquisti resistenza e flessibilità. Il processo viene fatto attraverso Il processo Bessemer Il processo Martin-Siemens Il processo a ossigeno Il processo a Forno elettrico 25

26 Produzione Il processo Bessemer Si + O 2 SiO 2 Mn + ½O 2 C + ½ O 2 MnO CO 26

27 Produzione Il processo Bessemer Nel giro di minuti silicio, manganese e carbonio sono quasi totalmente eliminati e si inizia l'ossidazione del ferro L'operazione non è controllabile e si arriva sempre sino alla decarburazione pressochè totale. Il bagno metallico finale contiene quantità tutt'altro che trascurabili di ossigeno disciolto. Bisogna di conseguenza procedere a una desossidazione e ricarburazione 27

28 Produzione Il processo Bessemer Non permettere l'eliminazione del fosforo. La sua eliminazione dal bagno metallico è possibile solo in presenza di una scoria basica che blocchi l'anidride fosforica, a mano a mano essa si origina, sotto forma di composti a carattere salino (fosfati), non più facilmente riducibili. Aggiunta di calce alla carica metallica, impossibile in un convertitore a rivestimento refrattario acido come il Bessemer. Sino dal 1876 sono stati introdotti convertitori a rivestimento basico, detti Thomas del tutto analogo, sia nella costruzione, sia nel funzionamento, a un convertitore Bessemer, dal quale differisce solo per avere un rivestimento di refrattari magnesiaci con sopra una pigiata di dolomite calcinata. 28

29 Il processo Martin Siemens Produzione La carica è costituita da ghisa fusa e da una grande quantità di rottami, e il combustibile, gas o gasolio, è alimentato da aperture presenti nelle pareti laterali del forno. 1)Usare una elevata quantità di rottami, fino all'80-90% della carica 2)Raffinare ferro ottenuto da minerali contenenti apprezzabili quantità di fosforo 3)Controllare l'acciaio durante la raffinazione mediante campionatura 4)Produrre acciaio meno fragile L affinazione avviene per ossidazione e per diluizione (rottami di ferro) 29

30 Convertitore a ossigeno (processo L.D.). Produzione L'ossidazione del bagno metallico è realizzata insufflando ossigeno sotto pressione attraverso una lancia introdotta verticalmente dall'alto al centro del convertitore. 2 Il rivestimento del convertitore è sempre basico (magnesite e, nei punti c[i maggiore usura, dolomite calcinata) per poter trattare anche ghise fosforose. Le reazioni chimiche che avvengono nel corso dell'affinazione sono quelle classiche dei convertitori ad aria. In questo caso però, non essendoci più da riscaldare anche l'azoto, si può fare uso di ghise di composizione assai variabile, anche relativamente povere di elementi termogeni. 30

31 Produzione Convertitore a ossigeno (processo L.D.). L'ossidazione del bagno metallico è realizzata insufflando ossigeno sotto pressione attraverso una lancia introdotta verticalmente dall'alto al centro del convertitore. Tempo di raffinazione 45 minuti. Il rivestimento del convertitore è sempre basico (magnesite e, nei punti a maggiore usura, dolomite calcinata) per poter trattare anche ghise fosforose. Le reazioni chimiche che avvengono nel corso dell'affinazione sono quelle classiche dei convertitori ad aria. In questo caso però, non essendoci più da riscaldare anche l'azoto, si può fare uso di ghise di composizione assai variabile, anche relativamente povere di elementi termogeni. 31

32 Il processo a Forno elettrico Produzione Come materiale di partenza si usano quasi esclusivamente rottami. Elettrodi in graffite sono introdotti finché risultano a contatto con la massa di rottami. Alimentando gli elettrodi, si producono enormi quantità di calore, dato che le temperature nell'arco possono raggiungere i 3300 C. Il calore provoca la fusione dei rottami e la produzione di acciaio nel giro di poche ore. Migliore controllo del processo. Utilizzato per produrre acciai di pregio 32

33 Produzione Non appena l'acciaio fuso è colato dal forno in una siviera a una temperatura di 1600 C, viene sottoposto a uno dei seguenti due processi: colata in lingottiere L'acciaio fuso viene versato in forme per lingotti (lingottiere), e lasciato solidificare Dopo la solidificazione, le forme vengono rimosse e i lingotti sono introdotti in una fossa coperta, detta fossa di permanenza, dove vengono riscaldati in modo che assumano una temperatura uniforme. Dalla fossa vengono poi passati a un laminatoio colata continua. Passaggio diretto dell'acciaio fuso dalla siviera ad un dispositivo che lo trasforma in un semilavorato, senza i passaggi intermedi di trasformazione in lingotto, preriscaldamento in fossa di permanenza, laminazione 33

34 Produzione Difetti in fase di colaggio Espulsione di gas Interazione fra l'ossido ferroso ed il carbonio sciolti nel metallo liquido; con formazione di CO FeO + C Fe + CO Liquazione Formazione di cristalli con diversa composizione. Difetti superficiali Cricche o fenditure 34

35 Trattamenti Termici Insieme di operazioni di riscaldamento e di raffreddamento mediante le quali vengono conferite al materiale particolari caratteristiche meccaniche e strutturali. Ricottura Normalizzazione Tempra Rinvenimento Bonifica Trasformazioni di struttura cristallina del ferro e delle soluzioni solide ferro-carbonio. 35

36 Trattamenti Termici Ricottura Riscaldamento dell'acciaio sino ad una temperatura che consente una trasformazione completa in austenite, seguito da un lento raffreddamento in forno. In seguito al trattamento di ricottura l'acciaio acquista la struttura perlitica corrispondente al diagramma di stato ferro-cementite. La ricottura annulla tutti gli effetti dovuti a trattamenti termici o meccanici precedenti. Essa può anche avere lo scopo di uniformare la composizione chimica dell'acciaio; in questo caso il riscaldamento è eseguito a temperatura più elevata e per tempi più lunghi. 36

37 Trattamenti Termici Ricottura Per ricottura di officina si intende impropriamente un trattamento termico che consiste in un riscaldamento a temperature che ha lo scopo di eliminare, almeno parzialmente, l'incrudimento del materiale, cioè le distorsioni reticolari e il tipo di struttura orientata conseguenti alle lavorazioni plastiche a freddo, in particolare alla laminazione: Dal punto di vista delle proprietà meccaniche l'incrudimento si manifesta un aumento quelle caratteristiche che esprimono una resistenza alla deformazione, mentre peggiorano quelle che corrispondono ad una capacità di deformazione. Nel corso di una lavorazione plastica a freddo, per esempio operazioni di trafilatura, è dunque talvolta necessario procedere a trattamenti intermedi di ricottura di officina per fare riacquistare al materiale la duttilità necessaria al proseguimento della lavorazione. 37

38 Trattamenti Termici Normalizzazione La normalizzazione consiste in un riscaldamento del materiale a temperatura di poco superiore a quella al di sopra della quale è stabile la forma austenitica seguito da un raffreddamento in aria calma. La normalizzazione distrugge gli effetti dei trattamenti termici o meccanici precedenti. Viene solitamente eseguita sui semilavorati come ultima operazione prima della messa in commercio. Le caratteristiche assai variabili a seconda del tipo di acciaio trattato e delle dimensioni dei pezzi. Generalmente si ottengono strutture simili a quelle conseguibili con la ricottura; la velocità di raffreddamento è però più elevata e di conseguenza la perlite risulta costituita da cristalli più minuti. Con pezzi molto piccoli e con acciai a velocità critiche di raffreddamento poco elevate si possono avere strutture simili a quelle di tempra. 38

39 Trattamenti Termici Tempra. Aumenta la durezza e la resistenza a trazione attraverso la formazione di una struttura martensitica o bainitica. Causa però anche una notevole diminuzione della resilienza, dell'allungamento e della strizione, per cui, come vedremo, è di regola abbinata ad un trattamento di rinvenimento. L'acciaio viene portato circa 50 C al di sopra della temperatura di stabilità dell astenite e viene mantenuto a questa temperatura un tempo sufficiente ad avere una completa austenitizzazione senza però provocare un eccessivo aumento delle dimensioni del grano, dopo di che si esegue un brusco raffreddamento. Nella tempra vera e propria la velocità di raffreddamento deve essere tale da avere formazione di sola martensite. 39

40 Trattamenti Termici Rinvenimento Riscaldamento del pezzo temprato per un certo tempo ad una temperatura inferiore a quella al di sotto della quale l austenite non è stabile. Per effetto dell'aumento di temperatura gli atomi di ferro e di carbonio acquistano una certa mobilità e l'acciaio evolve dalla struttura martensitica a strutture di maggior equilibrio. Dopo la tempra è di regola sempre necessario procedere ad un trattamento termico di rinvenimento, che provoca un deciso aumento della resilienza, causando solo una modesta diminuzione della durezza e della resistenza a trazione, e che dunque finisce per impartire all' acciaio caratteristiche meccaniche ottimali 40

41 Trattamenti Indurimento superficiali All'acciaio viene conferita una notevole durezza superficiale (buona resistenza all'usura), pur conservando nell'interno una elevata resilienza Tempra superficiale. Riscaldare superficiale rapido in modo da far superare la temperatura di stabilità austenitica solo ad un sottile strato superficiale di metallo e nel procedere subito dopo ad un brusco raffreddamento. Cementazione Arricchimento in carbonio della zona superficiale del pezzo Nitrurazione Indurimento superficiale dei pezzi di acciaio attraverso l'arricchimento in azoto degli strati più esterni. L'azoto si combina con il ferro e con altri elementi presenti nell'acciaio dando luogo alla formazione di nitruri metallici molto duri, tra i quali predomina il composto Fe 4 N 41

42 Tipologie Caratteristiche degli acciai Composizione Acciai al carbonio Trattamenti Termici Acciai speciali. Acciai maraging Acciai patinabili 42

43 Tipologie Acciai al carbonio Impiegati per usi correnti (acciai comuni). Le loro proprietà dipendono dal tenore di carbonio Tracce di altri elementi, quali manganese (0,2-1%) e silicio (0,1-0,5%), oltre a fosforo e zolfo, il contenuto dei quali non deve però superare lo 0,034-0,05% in quanto risultano dannosi perché rendono il materiale particolarmente fragile C C Extradolci < 0,15% Dolci 0,15-0,25% Semiduri 0,25-0,50% Duri 0,50-0,75% Extraduri > 0,75 43

44 Tipologie Le proprietà dipendono dalla composizione, dai trattamenti meccanici e termici Gli acciai al carbonio costituiscono il prodotto più importante dei processi siderurgici e vengono impiegati soprattutto sotto forma di laminati, profilati, lamiere e tubi nelle costruzioni metalliche e navali 44

45 Tipologie Acciai speciali Acciai binari (leghe di due soli elementi ferro e carbonio) Acciai legati (o acciai speciali) Acciai ottenuti per aggiunta di altri elementi acciai ternari acciai quaternari acciai complessi acciai debolmente legati ogni elemento in lega non supera il 5% acciai fortemente legati almeno un elemento presente in lega supera il tenore del 5% 45

46 Tipologie Acciai speciali Gli elementi di lega possono essere suddivisi in due gruppi: Elementi austenizzanti Allargano la zona di stabilità del ferro γ Elementi a destra del Mn (manganese compreso) Cobalto Nichel Elementi alfogeni Allargano la zona di stabilità del ferro α Elementi a sinistra del Mn Cromo Vanadio Alluminio Molibdeno Tungsteno Silicio 46

47 Tipologie W (Tungsteno) Acciai speciali Costituente degli acciai rapidi (10-18%) i cui carburi assicurano all acciaio durezza ed elevata resistenza a rottura anche ad alta temperatura pertanto vengono impiegati per la costruzione di utensili per la lavorazione ad alta velocità dei metalli Si parla di acciai extrarapidi se oltre a contenere tungsteno (18-19%) contengono anche cromo (4-7%) e vanadio Mo (Molibdeno) Effetti analoghi a quelli del tungsteno e del cromo 47

48 Tipologie Si (Silicio) Acciai speciali Accresce nella lega il campo di esistenza della austenite Diminuisce la deformabilità e soprattutto esalta le caratteristiche magnetiche (diminuzione del le perdite per isteresi magnetica). Uso in costruzioni elettriche ed elettromeccariche (trasformatori, motori, alternatori ecc.). Insieme a piccole quantità di manganese, si ha un dell'aumento del modulo elastico (molle). Al (Alluminio) Altri elementi usati negli acciai speciali sono l'alluminio (acciaio da nitrurazione), il rame (aumenta la resistenza alla corrosione), il vanadio e il cobalto, il titanio, il piombo (favorisce la lavorabilità alle macchine utensili). 48

49 Tipologie Acciai Maraging Acciai speciali a basso contenuto di carbonio e contenenti nichel, titanio, alluminio, molibdeno e cromo; un complesso trattamento termico conferisce loro elevatissimo limite di snervamento e aita tenacità Acciai patinabili contengono elementi (vanadio, in particolare) che, sotto l'azione delle intemperie, consentono la formazione di una patina resistente costituita dagli ossidi degli elementi in lega e che rende inutile la verniciatura. 49