I METALLI Appunti di tecnologia - Prof.BOVIO Gianni Caratteristiche e utilizzi La storia I metalli conosciuti dall antichità furono scoperti a partire dalla fine del neolitico in epoche tra loro distanti nel tempo per vari motivi; premesso che la scoperta era fatta per caso, scaldando il minerale, ogni metallo ha una sua temperatura di fusione: più bassa è la temperatura e più facile è l estrazione del metallo dal minerale che lo racchiude. Era quindi un problema di tecnologia del forno dove fondere il minerale; più efficiente il forno, più alta la temperatura che poteva raggiungere, e quindi fondere metalli con temperatura di fusione più alta. Il rame sembra sia stato, 8.000 anni fa, il primo metallo ad essere conosciuto, che con una temperature di fusione di poco più di 1000 gradi poteva essere fuso dai primitivi forni. Questo periodo è stato identificato come età del rame Seguì la scoperta dello Stagno, e la scoperta che fondendo insieme Rame e Stagno si otteneva un terzo metallo molto più duro e resistente dei primi due, il Bronzo. Ora noi identifichiamo con il nome Età del bronzo questa epoca attorno al 3000 a.c. Circa 5.000 anni per uno sviluppo tecnologico. L età del ferro identifica un epoca datata 1.200 anni a.c., quando la tecnologia della fabbricazione dei forni ha permesso di raggiungere le temperature superiori a 1.500 gradi che hanno consentito di ottenere questo metallo. Caratteristiche dei metalli I materiali considerati metalli sono metalli NON metalli - semimetalli I metalli sono solidi a temperatura ordinaria, hanno un aspetto lucente; sono buoni conduttori di calore e di elettricità; Gli elementi metallici sono molto numerosi, più di 80: Molti di essi sono duttili e malleabili (possono essere ridotti in fili e lamine). I non metalli sono cattivi conduttori di calore e di elettricità; possono essere gassosi (idrogeno e azoto), liquidi (bromo), solidi (carbonio); non sono né malleabili ne duttili. I semimetalli sono un gruppo limitato di elementi che hanno un comportamento metallico e non metallico insieme. Sono elementi molto importanti nella moderna tecnologia, utilizzati in lega per migliorare le caratteristiche di questi ultimi o per ottenere semiconduttori, isolanti, ecc. Possiamo citare l'arsenico, l'antimonio, il tellurio, il selenio. Un metallo puro non combinato con altri elementi si definisce allo stato nativo; soltanto i metalli nobili si trovano in natura in questo stato; si dice anche allo stato puro o allo stato libero. Tutti gli altri metalli si trovano sotto forma di composti chimici, cioè combinati con altri elementi metallici e non metallici. Sono inoltre mescolati con sostanze non metallifere come quarzi, silicati o calcare, cioè i componenti delle rocce, che in metallurgia sono materiali di scarto definite ganga. La roccia formata dalla ganga e dal composto che contiene il metallo prende il nome di minerale metallifero. Col termine metallurgia si intende l insieme delle operazioni che vanno fatte sul Minerale per eliminare la ganga e, successivamente, per estrarre il metallo dal suo minerale. Il ferro è il minerale più utilizzato sulla terra, quindi la lavorazione del ferro e dell acciaio ha preso il nome di siderurgia. I metalli pag. 1
Proprietà dei metalli Le proprietà dei diversi metalli sono le caratteristiche che li rendono adatti a diversi utilizzi nella vita quotidiana. Molte delle caratteristiche dei metalli le avete già studiate quando abbiamo trattato dei materiali. Le proprietà sono 1) fisiche si riferiscono alle caratteristiche chimiche 2) meccaniche si riferiscono alla loro resistenza 3) tecnologiche si riferiscono alle loro capacità di essere lavorati PROPRIETÀ FISICHE DENSITÀ DILATAZIONE TERMICA il rapporto tra la il peso di 1 dm 3 volume di una sostanza e 1 Kg di acqua distillata il riscaldamento di un corpo aumenta il movimento delle molecole al suo interno incrementandone le dimensioni. TEMPERATURA DI FUSIONE La temperatura alla quale si verifica il passaggio dallo stato solido a quello liquido. CONDUCIBILITÀ TERMICA ED ELETTRICA LUCENTEZZA METALLICA il trasporto di calore e di energia elettrica PROPRIETÀ MECCANICHE Riguardano le capacità dei materiali di resistere alle sollecitazioni dovute all azione di forze applicate dall esterno, che tendono a modificarne forma e dimensioni. PROPRIETÀ TECNOLOGICH Riguardano l attitudine dei materiali a subire diversi tipi di lavorazioni meccaniche. DUTTILITÀ MALLEABILITÀ PIEGABILITÀ FUSIBILITÀ SALDABILITÀ TRUCIOLABILITÀ TEMPRABILITÀ attitudine a farsi ridurre in fili sottili attitudine a farsi ridurre in lamine sottili attitudine a subire notevoli deformazioni tramite piegatura, senza che si manifestino screpolature o cedimenti. attitudine a prendere una forma ben precisa, mediante fusione, ottenendo un prodotto chiamato getto. attitudine di un materiale a unirsi per fusione con un altro materiale. attitudine del materiale a subire lavorazioni, lasciandosi tagliare per asportazione di truciolo alle macchine utensili. attitudine di un materiale a modificare la propria struttura interna con un trattamento termico, composto da cicli di riscaldamento e raffreddamento opportuni. Ci sono parecchie classificazioni per i metalli; alcuni metalli rientrano in più elenchi Ferro e sue leghe Ghise ed Acciai Metalli pesanti Hanno densità elevata, superiore a 4 (Ferro, Piombo, Rame, ecc.). Metalli leggeri Hanno densità bassa, inferiore a 4. Metalli nobili Si ossidano con difficoltà e, quindi, possono essere presenti in natura allo stato nativo (Platino, Oro, Argento). Metalli vili o comuni Quelli di uso corrente (Ferro, Alluminio, Rame, Piombo, Stagno e Zinco.). Metalli rari Si trovano in minime quantità (Osmio, Iridio, ecc.). Metalli preziosi hanno alto valore perché impiegati per usi monetari (Oro, Argento, Platino). Metalli di uso speciale Manganese, Cromo, Nichel, Cobalto, Titanio, Vanadio, Tungsteno, Cadmio, Mercurio I metalli pag. 2
L'altoforno ghisa e acciaio La siderurgia è un settore della metallurgia che riguarda i processi di produzione del ferro, delle leghe ferrocarbonio (acciaio e ghisa) e delle ferroleghe. Il termine trae origine da "sidereo", proveniente "dagli astri", come il primo ferro usato dall'uomo che si trovava in superficie ed era di origine "meteoritica". La trasformazione da minerale contenente ferro a ghisa avviene con la fusione nel centro siderurgico, in un'enorme forno a tino chiamato altoforno. Questo impianto deve il suo nome ovviamente alle dimensioni; può raggiungere un'altezza altezza di 35 m, e considerando il sistema di scambiatori di calore al di sopra della bocca di 80 metri; il diametro del focolare può essere di 14 e 15 m; un moderno impianto può produrre fino a 10.000 tonnellate al giorno. Un altoforno è fatto da una struttura metallica in acciaio speciale rivestita internamente da mattoni refrattari; le pareti sono raffreddate da acqua nelle zone più sollecitate dal calore. Ha la forma di due tronchi di cono saldati nella parte più larga; ; il cono superiore si chiama tino e quello inferiore sacca; la zona di unione è chiamata ventre. La parte superiore del tino viene chiamata bocca, e i minerali di ferro ed il coke metallurgico vengono caricati dall'alto attraverso questa apertura a strati successivi di coke e minerale ferroso. Il funzionamento del forno è continuo per 365 giorni l'anno per una decina d'anni; gli strati scendono lentamente e fondono, liberando spazio per una nuova alimentazione. La fusione inizia subito dopo la bocca, alla temperatura 400 C; Nella sacca a 1600 C si ha la fusione totale e il ferro si stacca dai minerali; dal coke si scioglie il carbonio che legandosi al ferro forma la ghisa. La roccia che conteneva il metallo ed altre impurità prendono il nome di scoria. Per raggiungere alte temperature è necessario insufflare aria che deve essere preriscaldata. L'iniezione di aria, detta "vento caldo" avviene attraverso una corona di tubi in corrispondenza del ventre del forno. Il crogiolo è la parte inferiore della struttura; qui la scoria galleggia sulla ghisa per il differente peso specifico; la ghisa prodotta e le scorie vengono tolte periodicamente tolte attraverso i fori di colata. Le scorie solidificate vengono frantumate e riciclate come materiale per realizzare il cemento. Il metallo prodotto finale dell'altoforno è quindi la ghisa; una piccola parte viene usata per getti di fusione, cioè manufatti realizzati in ghisa, ma la maggior parte viene destinata alla conversione ed affinazione per ottenere l'acciaio e il ferro. La ghisa è una lega ferro-carbonio dove il carbonio è nella percentuale del 3-4%. E' dura, fragile, resiste poco alla trazione e alla flessione, è resistente alla compressione e alla corrosione; ghisa non può subire molte lavorazioni in quanto non è malleabile, né a caldo né a freddo; possiede un'ottima fusibilità: fonde a temperatura non molto elevata, è fluida, dà getti sani e compatti, e consente una facile realizzazione di pezzi anche molto complicati. L'acciaio La quantità percentuale di carbonio nella lega ferro-carbonio è la discriminante per ottenere un materiale chiamato ghisa o un materiale chiamato acciaio, e ne influenza le proprietà meccaniche. L'acciaio è una lega ferro-carbonio dove il carbonio è nella percentuale max del 2%. Vediamo una sintetica classificazione degli acciai al carbonio: extra dolci: carbonio compreso tra lo 0,05% e lo 0,15%; dolci: carbonio compreso tra lo 0,15% e lo 0,25% semiduri e duri: carbonio compreso tra lo 0,25% e lo 0,70%; durissimi, extraduri: carbonio oltre lo 0,70%. L acciaio ha probabilmente il più vasto campo di applicazioni rispetto ad altri materiali. La vasta gamma di composizione delle leghe, le proprietà meccaniche e la semplicità di produzione lo rendono un materiale versatile che è usato in componenti e prodotti che possono essere piccoli o grandi, ad alta tecnologia o semplicissimi. I metalli pag. 3
L'acciaio costituisce il più importante prodotto della siderurgia; esistono molte categorie di acciaio, a seconda del parametro preso in considerazione (processo di produzione, composizione chimica, caratteristiche meccaniche, impiego, etc.). Gli acciai extradolci e dolci sono quelli che noi chiamiamo ferro. Alcuni dei prodotti realizzati con questo materiale sono parti di macchinari, scocche e carrozzerie di autoveicoli, la maggior parte delle strutture di acciaio degli edifici, scafi delle navi, chiodi, viti, bulloni filo di ferro, tubi, recinzioni... Gli acciai speciali Si definiscono acciai speciali quelli che contengono, oltre al ferro e al carbonio, altri elementi (cromo, manganese, molibdeno, nichel, rame, silicio, tungsteno, piombo...) in percentuale tale da modificarne molte caratteristiche. Tra tutti i tipi esistenti ricordiamo Acciaio inox - inossidabile Il termine abbreviato acciaio inox deriva dal francese "inoxydable", in italiano acciaio inossidabile. Sull'acciaio normale (acciaio dolce) a causa dell'ossigeno dell'aria, dell'umidità o dell'acqua si forma una pellicola di ossido di ferro che chiamiamo ruggine, che con il passare del tempo si sfalda, si stacca e assottiglia lo spessore del metallo. Si protegge con la verniciatura o la zincatura. Aggiungendo del Cromo (Cr) alla lega nella percentuale del 10%. si forma una pellicola di ossido di Cromo che ne impedisce la corrosione. L acciaio inox è quindi resistente alla corrosione ed alla ruggine. In realtà si mescolano anche altri metalli. Si utilizza un acciaio inox quando sono necessari resistenza meccaniche e proprietà anticorrosione, recinzioni e cancelli, contenitori per alimentari oppure quando la necessità anticorrosiva sia prevalente, come nelle posate, accessori di cucina, strumenti medici e chirurgici. Ci sono alcune tipologie di acciai inox; il più comune è quello che contiene oltre al Cromo il Nickel. Se in cucina osservate con attenzione posate ed altri accessori, troverete un marchietto inciso nel metallo: inox 18/10 oppure inox 18/8 Il primo numero (18) sta ad indicare la percentuale di Cromo ed il secondo (10 oppure 8) indica la percentuale di Nichel presente nella lega. Un altro numero dopo i primi due rappresenta la percentuale di Molibdeno (Mo) presente nella lega. Gli acciai inox trovano impieghi vastissimi: - pentole, posate, coltelli ed altri strumenti domestici - contenitori industriali ad uso alimentare - serbatoi e cisterne per il trasporto di alimenti e bevande - contenitori nell'industria chimica - elettrodomestici - strumenti chirurgici - gioielleria ed orologeria - industria aerospaziale - edilizia (recinzioni, cancelli) Acciai per utensili Le principali proprietà che deve possedere un materiale per utensile sono: durezza, resistenza all usura ed all abrasione, resilienza, resistenza agli shock termici, temprabilità. sono acciai che contengono tungsteno, cromo, vanadio e molibdeno. Le leghe metalliche Metalli diversi possono essere spesso fusi insieme per dar luogo ad altri metalli, detti leghe. Le leghe di due o più metalli hanno proprietà fisiche diverse da quelle dei singoli componenti. Attraverso una scelta attenta dei componenti si può fare in modo che una lega abbia elevata durezza, tenacità, resistenza meccanica e resistenza alla corrosione. Tra le leghe più comuni figurano l'ottone (rame e zinco), il bronzo (rame e stagno), l'acciaio ( ferro, carbonio,) gli acciai speciali (ferro, carbonio, cromo e nichel) I metalli pag. 4
METALLI PREZIOSI ORO Simbolo chimico Au (dal latino "aurum") È un metallo tenero, il metallo più duttile e più malleabile, ottimo conduttore di elettricità; non viene ossidato dall'ossigeno dall'aria né intaccato o corroso dalla maggior parte delle sostanze chimiche, attaccabile solo dall'acqua regia, miscela di acido nitrico e acido cloridrico Di solito l oro non è utilizzato mai puro, ma in lega con altri metalli, e in questo caso la sua purezza si misura in carati, con una scala che fissa a 24 carati l'oro puro. (24 parti d'oro fino su 24 totali) e si definisce oro 24k. Il carato (valore 0,2 grammi, cioè un quinto di grammo, cinque carati corrispondono ad un grammo) è l'unità di peso usata per l oro le pietre preziose. La parola carato viene dall'arabo qirat che significa la 24 parte. In greco keration indicava il seme del carrubo, che pesano quasi sempre g 0,2 cioè un carato. L'oro utilizzato in gioielleria può avere una purezza massima di 18 carati, perché è sempre unito in lega con altri metalli per ottenere una maggiore resistenza meccanica. Oro a 18 carati (abbreviato 18k) indica che la lega è costituita da 24 parti, di cui 18 parti d'oro fino e 6 parti di altri metalli. L'oro comunemente usato è 18 carati,cioè 18 ventiquattresimi di oro, e 6 ventiquattresimi di lega. Per questo motivo la sua colorazione normalmente gialla può assumere anche una colorazione: rossa o arancia rosa o verde o violetta se è una lega di oro argento e rame. (oro rosso) bianco se è una lega di oro, nichel, argento o palladio o platino. (oro bianco) blu se è una lega di oro e di ferro (oro blu) Storicamente,l'oro bianco è stato prodotto per un'alternativa più economica al platino in gioielleria. All'inizio l'oro bianco è stato realizzato con una lega di oro e nikel, un metallo dalle buone proprietà sbiancanti. L'oro bianco è caratterizzato da durezza e luminosità, è destinato al monopolio del gioiello importante legato alla presenza di pietre preziose che vengono incastonate nel metallo la cui durezza le trattiene meglio. Il riassunto è nella tabella seguente: 24 Kt Carati - 999.99/1000 millesimi di grammo 22 kt Carati - 916.66/1000 18 Kt Carati - 750/1000 14 Kt Carati - 585/1000 9 Kt Carati - 375/1000 8 Kt Carati - 333.33/1000 Quotazione dell oro sul mercato Le quotazioni internazionali dei metalli preziosi sono in base al mercato: dollari per Oncia, che convertita in grammi sono 31,1035 grammi. Normalmente in Italia viene riportato il valore di euro al grammo Alla data del 24 Febbraio 2013 la quotazione era di $ 1.581,40 l oncia, pari a 1.198,73 per 31,1035 grammi. La conversione porta a 38,54 al grammo 3.854,00 all'etto 38.540,00 al Kg Quotazione di altri metalli preziosi alla stessa data Dollaro per oncia : argento $ 28,76 platino $ 1.607,00 palladio $ 737,00 Utilizzi dell oro Componentistica elettronica; Gioielleria e oreficeria; Articoli per premiazioni; Odontoiatria: Conio di monete; In astronautica, a protezione dei satelliti; Per leggere quanti carati ha un oggetto d'oro occorre individuare un piccolo rombo con incisi con all'interno dei numeri: Il numero 750 significa che nell oggetto ci sono 750 millesimi di grammo d'oro, cioè 18 carati; Il numero 585 significa che nell oggetto ci sono 585 millesimi di grammo d'oro, cioè 14 carati; Il numero 333 significa che nell oggetto ci sono 333 millesimi di grammo d'oro, cioè 8 carati; I metalli pag. 5
ARGENTO Simbolo chimico Ag dal latino Argentum E un metallo molto duttile e malleabile, con una lucentezza metallica bianca. Ha la maggiore conducibilità elettrica termica tra tutti i metalli, superiore persino a quella dell alluminio e del rame; il costo ovviamente ne rende proibitivo l uso per i cavi elettrici. Utilizzi dell Argento Pellicole e le carte fotografiche della fotografia analogica basate sull effetto fotosensibile (sensibilità alla luce) degli alogenuri d'argento; Monete; Oreficeria, articoli di gioielleria, medaglie, coppe; Farmaceutica: le preparazioni a base di argento hanno azioni battericida; Posate e articoli da tavola (argenteria); Occhiali fotocromatici; In odontoiatria. Rivestimenti su vetri e metalli per ottenere effetti di specchio; Colorante alimentare per ottenere il colore metallico per caramelle e confetti; PLATINO Simbolo chimico Pt PALLADIO Simbolo chimico Pd Il suo nome deriva dallo spagnolo platina, diminutivo di plata, argento. È un metallo considerato più prezioso dell'oro: Il suo prezzo è legato alla sua bassa disponibilità. E il metallo più duttile dopo oro e argento. Il platino è usato in gioielleria per anelli e bracciali, nella realizzazione di attrezzi da laboratorio, contatti elettrici, odontoiatria Di colore bianco argenteo, simile al platino. Non si ossida all aria. Utilizzi marmitte catalitiche; gioielleria; circuiti elettronici stampati; leghe per protesi dentarie; Utilizzi In gioielleria Attrezzi da laboratorio Marmitte catalitiche dell'automobile. Glossario Acciaieria Acciaio Altoforno Cariche Carro siluro Impianto industriale per la produzione di acciaio. Le acciaierie che utilizzano ghisa liquida da altoforno e il convertitore sono definite a ciclo integrale, quelle che partono da rottame fondendolo al forno elettrico sono definite acciaierie elettriche. Lega ferrosa in cui il ferro è l'elemento predominante e il tenore (percentuale) di carbonio è minore del 2%. Macchina complessa per la produzione della ghisa a partire dai minerali ferrosi. Sono i materiali che vengono immessi dall alto per essere fusi: Sono costituite di minerale ferroso, coke e fondenti in strati regolari alternati. Carro ferroviario rivestito internamente di mattoni refrattari in cui è versata e trasportata la ghisa liquida. I metalli pag. 6
Colata Crogiolo L azione del versare metallo fuso in una forma di fusione, o l oggetto metallico (es. lingotto) prodotto da tale azione. Recipiente di forma cilindrica, ovale o tronco-conica, usato per fondere metallo e vetro. Forgiare Stampare metallo caldo della forma desiderata tramite martellatura o pressaggio. Fucinare Fusione Forno ad arco Coke Laminatoio Lega Lingottiera Lingotto Lavorare ferro, acciaio o altro materiale mediante battitura a caldo; sinonimo di forgiare. Passaggio di una sostanza dallo stato solido allo stato liquido in seguito a somministrazione di calore. Macchina per la produzione dell acciaio a partire dai rottami ferrosi; l energia è generata da una scarica elettrica. Residuo della distillazione del carbone fossile litantrace, utilizzato per alimentare gli altoforni negli delle fonderie. Macchina per la deformazione a caldo o a freddo di metalli; adatta a produrre tubi, nastri, lamiere, fogli, barre. Sostanza metallica composta da due o più elementi chimici dei quali uno è un metallo. Recipiente di ghisa a parete molto spessa (da 60 a 120 mm). Può essere di varie sezioni. In essa viene colato l'acciaio liquido per ottenere i lingotti. Quando un metallo liquido viene colato in un stampo chiamato lingottiera, il prodotto ottenuto dopo raffreddamento, a forma di piramide tronca, si chiama lingotto. Metallurgia E la disciplina tecnica che riguarda lo studio dei metalli e delle loro caratteristiche, e dei procedimenti tecnici che permettono di estrarre i metalli puri dai minerali che li contengono per ottenere dei semilavorati o dei prodotti finiti. Metalmeccanico Termine che si riferisce alle persone che lavorano nella metallurgia e nella meccanica. Ossidazione Pressa Reazione chimica per cui una sostanza o un elemento si combina con l'ossigeno. Macchina che esercita una forte pressione su un lingotto in acciaio caldo riducendolo alle dimensioni e forma desiderate. Refrattario Rottame l materiale refrattario è un materiale capace di resistere, per lunghi periodi, alle alte temperature senza reagire chimicamente con gli altri materiali con i quali si trova in contatto, senza deformarsi né incrinarsi. Metallo di scarto, trucioli o materiale grezzo da rilavorare. Siderurgia Con il termine siderurgia ( in greco sideros era il ferro) si indica il settore della metallurgia che si occupa dei procedimenti per ottenere il ferro e le sue leghe, la ghisa e l'acciaio. Siviera Grande secchio metallico, rivestito di materiale refrattario, nel quale viene colato dal forno il metallo liquido. I metalli pag. 7
Tempra Raffreddamento da elevata temperatura, con elevata velocità di raffreddamento., per aumentare a durezza dell'acciaio. Tornio Truciolo Utensìle Attrezzo per lavorare i metalli in forma cilindrica, composto da un reggipezzo rotante e da un utensìle che gli si appoggia contro e lo scalfisce, modificandone la forma. Sottile e lunga falda, simile a nastro, prodotta dall utensile che asporta il materiale dalla superficie del pezzo lavorato. Attrezzo (coltello, punta, ruota abrasiva, ecc) che serve o che è utile per lavorare materiali, usato sia a mano che nelle macchine. I miei appunti I metalli pag. 8