MATERIALI E LEGHE, FERROSE E NON FERROSE

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1 MATERIALI E LEGHE, FERROSE E NON FERROSE 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. MATERIALI METALLICI FERROSI Il Ferro 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 % Classe 3^ - Tecnologie mecc. di proc. e prod. - Appunti dalle lezioni del prof. Di Cara Nicola ITIS Galilei Conegliano Pag. 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. Il prodotto principale 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. Le cariche dell altoforno Nell altoforno sono immesse, attraverso la bocca di caricamento, le cariche costituite da strati alternati di minerale (magnetite, ematite, limonite, siderite ), coke e fondente. 1. MINERALI DEL FERRO Il ferro è presente nei minerali insieme ad impurità nocive (come arsenico, zinco, rame, zolfo e fosforo) difficilmente eliminabili od eliminabili con particolari trattamenti. Le impurezze peggiorano la qualità della ghisa o dell acciaio. In particolare, il manganese provoca un aumento notevole della durezza (perché favorisce la formazione della cementite, cioè del carburo di ferro Fe 3 C), lo zolfo ed il fosforo impartiscono fragilità. I minerali sono ricchi di ferro quando questo ha percentuale oltre il 45%, sono medi se il ferro è pari al 30 45%, sono poveri quando hanno ferro fino al 30%. I principali minerali che contengono ferro sono la magnetite, l ematite rossa, la limonite e la siderite. Classe 3^ - Tecnologie mecc. di proc. e prod. - Appunti dalle lezioni del prof. Di Cara Nicola ITIS Galilei Conegliano Pag. 2

3 - Magnetite (Fe 3 O 4 ) E nera o grigia, pesante. Contiene ferro fino al 70%. Non contiene né zolfo né fosforo. E anche detta calamita naturale, per la sua proprietà magnetica. - Ematite rossa (Fe 2 O 3 ) Di colore rosso, contiene ferro fino al 60%. Contiene poco fosforo. - Limonite (2 Fe 2 O 3 3 H 2 O) E un ossido idrato. Di colore giallastro. Contiene ferro fino al 50%. Contiene fosforo. - Siderite (Fe CO 3 ) E un carbonato di ferro. E una roccia bianca colorata di giallo o bruno per la presenza di limonite. Contiene ferro fino al 40%. Contiene manganese ma non zolfo né fosforo. Magnetite ed ematite rossa possono essere introdotti direttamente nell altoforno. Limonite e siderite devono prima essere trasformati in ossidi. Tra le materie prime contenenti ferro, si deve ricordare anche la pirite. Il minerale greggio estratto dalle miniere, prima di essere introdotto nell altoforno, deve essere sottoposto ad alcune operazioni preparatorie. Tra queste ricordiamo: - Suddivisione in base alla qualità - Frantumazione ed eventuale macinazione, con riduzione ad una pezzatura di 8 35 mm - Lavaggio per asportare le sostanze terrose - Arricchimento per sottrarre la ganga dal minerale - Calcinazione per la trasformazione in ossidi - Arrostimento per rendere il minerale più trattabile nell altoforno ed eliminare gli elementi nocivi - Omogeneizzazione, formando cumuli di uniforme pezzatura - Agglomerazione, mescolando il materiale ferroso di pezzatura fine con polvere di coke. 2. IL COMBUSTIBILE: COKE Può essere carbone di legna, che non contiene zolfo e neanche fosforo e contribuirebbe a produrre una ghisa pura e pregiata. Si utilizza però carbone coke, che è meno costoso e resiste allo schiacciamento. Il coke si ottiene per distillazione del carbon fossile in impianti detti cokerie. Classe 3^ - Tecnologie mecc. di proc. e prod. - Appunti dalle lezioni del prof. Di Cara Nicola ITIS Galilei Conegliano Pag. 3

4 I forni sono costituiti da una serie di celle rivestite internamente da mattoni refrattari silicei. Le celle hanno forma stretta ed allungata: - larghezza = 0,40 0,60 m - altezza = 4 6 m - profondità = m Il carbon fossile viene caricato dall alto nelle celle che sono riscaldate dall esterno con fiamme di un gas che brucia nell intercapedine tra una cella e l altra. Alla temperatura di C, per un tempo di ore, il carbone si libera dello zolfo e delle materie volatili. Il coke così ottenuto viene trasportato, per mezzo di appositi vagoni, sotto una torre di spegnimento, dove è raffreddato tramite una pioggia d acqua. E quindi inviato in un impiato di frantumazione dove viene ridotto ad una pezzatura di mm. La composizione media del coke è la seguente: - 90% di carbonio - 1% di materie volatili - 1% di zolfo - 8% di ceneri Classe 3^ - Tecnologie mecc. di proc. e prod. - Appunti dalle lezioni del prof. Di Cara Nicola ITIS Galilei Conegliano Pag. 4

5 3. IL FONDENTE Le sostanze (ganga) che accompagnano il ferro nel minerale, per essere eliminate, necessiterebbero di una temperatura di fusione superiore ai 2000 C. Il fondente, che è un materiale roccioso di tipo calcareo (costituito da carbonato di calcio, più raramente da dolomite), alla temperatura di 1200 C, si unisce chimicamente alla ganga del minerale ed alle ceneri del coke formando sostanze che fondono facilmente (silicati), cioè delle scorie (loppe d altoforno) che, essendo più leggere della ghisa, galleggiano su di essa all interno del crogiolo. La parte calcarea del fondente reagisce anche col dannoso zolfo, portandolo nelle scorie. La pezzatura del fondente è di mm. 4. ARIA Per attivare la combustione e far avvenire le varie reazioni all interno dell altoforno, mediante una serie di soffianti disposti alla base della sacca, viene inviata aria (vento) preriscaldata a 1200 C ed immessa ad una velocità di circa 200 m/s e con una pressione di circa 100 kpa. Gli ugelli di questi grossi turboventilatori, disposti radialmente e distanziati di circa cm, costruiti in acciaio speciale ad alto tenore di cromo resistente alle alte temperature, sono provvisti di intercapedini per la circolazione dell acqua di raffreddamento. Ogni soffiante deve fornire una portata d aria di circa 4 m 3 al minuto per ogni kg di carbone presente nella carica. Il 66% dell aria viene utilizzata per attivare la combustione, il 34 % per lo svolgimento delle reazioni. 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). Attraverso la bocca di caricamento sono inseriti a strati alternati il minerale di ferro, il carbone coke e il fondente. 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]. Classe 3^ - Tecnologie mecc. di proc. e prod. - Appunti dalle lezioni del prof. Di Cara Nicola ITIS Galilei Conegliano Pag. 5

6 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 + CO 2 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. Classe 3^ - Tecnologie mecc. di proc. e prod. - Appunti dalle lezioni del prof. Di Cara Nicola ITIS Galilei Conegliano Pag. 6

7 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. 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: FUMI 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. Classe 3^ - Tecnologie mecc. di proc. e prod. - Appunti dalle lezioni del prof. Di Cara Nicola ITIS Galilei Conegliano Pag. 7

8 CARATTERISTICHE ED IMPIEGHI DELLE GHISE La ghisa madre proveniente dall alto forno può essere rifusa con altri rottami di ghisa e di acciaio e correttivi per definire in maniera più precisa la composizione chimica. Le proprietà meccaniche e tecnologiche della ghisa dipendono dalla composizione chimica e dalla velocità di raffreddamento cui è soggetta la ghisa liquida quando viene versata nella forma di terra. 1) Se la velocità di raffreddamento è lenta si ottiene la ghisa grigia (il nome deriva dalla presenza delle lamelle di grafite per cui, alla frattura, la ghisa si presenta grigia). 2) Se la velocità di raffreddamento è veloce si ottiene la ghisa bianca (per la presenza di carbonio sotto forma di carburo di ferro Fe 3 C detto cementite). La ghisa risulta costituita principalmente da ferro, carbonio, silicio e manganese. - Il carbonio può essere sotto forma di cementite (che è dura) o di grafite (che è tenera). Classe 3^ - Tecnologie mecc. di proc. e prod. - Appunti dalle lezioni del prof. Di Cara Nicola ITIS Galilei Conegliano Pag. 8

9 - Il silicio, quando ha un tenore superiore al 2 %, favorisce la formazione del carbonio grafitico. Esso inoltre fa diminuire la resistenza, la durezza e la fragilità della ghisa. Fa aumentare invece la scorrevolezza e la lavorabilità all utensile. - Il manganese favorisce la formazione della cementite ed ha effetto opposto al silicio. - Le ghise sono fusibili (fondono tra i 1150 ed i 1300 ) e colabili (danno getti esenti da soffiature). Si possono ottenere forme anche complicate. - Le ghise hanno capacità autolubrificante (dovuta alla presenza del carbonio grafitico): basso coefficiente d attrito limitata usura adatte alla costruzione di guide per macchine utensili. - Le ghise smorzano le vibrazioni adatte alla costruzione di basamenti per macchine utensili. Dal punto di vista delle proprietà meccaniche, le ghise comuni hanno scarsa resistenza a trazione, scarso allungamento, scarsa resistenza agli urti e grande durezza. Vediamo le altre caratteristiche: - Lavorabilità alle Macchine utensili Solo le ghise bianche non legate non sono lavorabili - Lavorabilità per deformazione plastica Praticamente è nulla - Saldabilità In genere è scarsa - Resistenza alla corrosione E buona Classe 3^ - Tecnologie mecc. di proc. e prod. - Appunti dalle lezioni del prof. Di Cara Nicola ITIS Galilei Conegliano Pag. 9

10 - Resistenza alle alte temperature Lo scorrimento viscoso dei piani atomi dei reticoli cristalli, che pregiudica le proprietà meccaniche, avviene per temperature maggiori di 400 C. - Conducibilità elettrica La ghisa grigia ha una resistività pari a 1,2 [Ω mm 2 /m] - Dilatazione termica La ghisa grigia ha un coefficiente di dilatazione termica pari a [1/ C] - Massa Volumica E pari a 7,2 [kg/dm 3 ] GHISE SPECIALI Le ghise comuni non sono né malleabili né duttili, non sono fucinabili, sono difficilmente saldabili, hanno scarsa resistenza a trazione ed agli urti, ma sono fusibili e colabili per cui sono particolarmente adatte alla produzione di oggetti per via di fusione. Le ghise speciali sono state ideate per raccogliere i seguenti scopi: 1) Ottenere un prodotto che unisca ai pregi della ghisa (col abilità e fusibilità) i pregi degli acciai (tenacità, elasticità, resistenza a trazione, fucinabilità, saldabilità. 2) Ottenere un prodotto avente particolari caratteristiche: resistenza alla corrosione, all usura, al calore. Tra i numerosi tipi di ghisa speciale ricordiamo quelle al Ni, al Ni-Cr, al Ni-Cr-Cu, le ghise sferoidali e le ghise malleabilizzate. - GHISE SFEROIDALI Si ottengono direttamente in fonderia trattando la ghisa liquida, colata in siviera dal cubilotto o dal forno elettrico, con l aggiunta di magnesio (5 10 %). Questo fa si che la grafite si raccolga non sotto forma di lamelle bensì di noduli rotondeggianti (sferoidi) distribuiti in modo irregolare nella matrice metallica, costituita da ferrite molto tenace. Le ghise sferoidali posseggono ottima resistenza a trazione, buoni allungamenti, buona resistenza all urto, pur conservando elevata durezza e colabilità. Sono fucinabili e saldabili. Esse hanno, quindi, proprietà simili a quelle degli acciai, per esempio: R = 500 [N/mm 2 ] ; A = 10 % ; K = 50 [J/cm 2 ] ; HBS = 270 Classe 3^ - Tecnologie mecc. di proc. e prod. - Appunti dalle lezioni del prof. Di Cara Nicola ITIS Galilei Conegliano Pag. 10

11 - GHISE MALLEABILI Sono ghise bianche sulle quali é stato fatto un trattamento termico di malleabilizzazione. La ghisa bianca, decarburata, perde così durezza e fragilità, acquistando un certo allungamento, attitudine al piegamento ed un po di resilienza, divenendo così saldabile e lavorabile alle macchine utensili. Nel contempo permane la fusibilità e la colabilità. Ecco i valori di alcune caratteristiche meccaniche: R = [N/mm 2 ] ; A = 8 10 % ; HBS = Classe 3^ - Tecnologie mecc. di proc. e prod. - Appunti dalle lezioni del prof. Di Cara Nicola ITIS Galilei Conegliano Pag. 11