Transcript materiali metallici

I materiali metallici
I materiali metallici
Tra gli svariati materiali disponibili per la
produzione di prodotti finiti, ci
occuperemo soprattutto dello studio dei
materiali metallici, in quanto occupano
ancora un ruolo preminente nelle
costruzioni meccaniche.
I metalli
I metalli sono gli elementi più numerosi della
tavola periodica, di cui occupano la parte sinistra.
strutture
I metalli
Nell’industria meccanica, la generica definizione di
“materiali metallici” coinvolge più tipologie di materiali che,
dal punto di vista chimico, sono così definiti:
Metalli Puri
Materiali ferrosi
Leghe Metalliche
Materiali non ferrosi
Metalli Puri
• Sono molto difficili da ottenere
(raramente il metallo puro si trova tal
quale in natura; ecc. argento, platino,
rame, osmio, iridio, mercurio e oro.)
• Raramente hanno le caratteristiche
meccaniche e tecnologiche necessarie
• Alcuni utilizzi: Cu nei cavi e nei circuiti
elettrici, Zn, Cr, Ni nei rivestimenti…
METALLURGIA
• Operazioni necessarie per ottenere i
metalli puri a partire dai minerali che li
contengono.
• Minerali: miscugli eterogenei di due o
più composti contenenti il metallo
d’interesse
• I composti più comuni: Ossidi,
Carbonati, Solfuri, Solfati e Cloruri
METALLURGIA
La metallurgia comporta tre fasi:
• l’arricchimento (separa il minerale dalle
impurezze che contiene, la ganga)
• la riduzione (dal catione al metallo
nativo, es Fe3+  Fe, Al3+Al)
• la raffinazione (le impurezze tutt’ora
intrappolate nel metallo vengono
eliminate)
METALLURGIA
Riduzione
• può essere preceduta da arrostimento
(un composto viene trasformato
nell’ossido; es: FeS + O2  FeO)
RAFFINAZIONE
• Il processo di raffinazione avviene per
distillazione dei metalli a basso punto di
ebollizione o tramite elettrolisi.
• La raffinazione dei metalli è difficile e costosa
per cui è più conveniente usare le leghe
invece dei metalli allo stato puro.
• Si usa solo per eliminare alcuni elementi che
peggiorano notevolmente le caratteristiche
del materiale (es. S per gli acciai)
Struttura delle leghe
I cristalli che si formano nelle leghe
metalliche sono di tre tipi fondamentali:
• Cristalli puri
• Cristalli di soluzioni solide o misti
• Cristalli di composti intermetallici
Struttura delle leghe
A
B
Lega di cristalli puri
Solvente
C
Soluto
C
Lega di cristalli di soluzione solide o
misti
Lega di cristalli di composti
intermetallici
MATERIALI FERROSI
• Il ferro è il metallo più importante in ogni
settore applicativo tecnologico
• è il quarto elemento più abbondante
della crosta terrestre (4,7%).
• Si ottiene principalmente dalla riduzione
dell’ematite (Fe2O3) e della magnetite
(Fe3O4) avviene nell’altoforno.
• Altre fonti: FeCO3 (siderite) e rottami
I metalli ferrosi - produzione
La riduzione avviene
nell’altoforno caricato con il
minerale arricchito, C coke,
rottami e fondenti (CaCO3)
L’altoforno non si spegne
mai; periodicamente si
prelevano dal fondo la ghisa
fusa e le scorie.
Il prodotto è la ghisa
d’altoforno che non ha
praticamente utilizzi tal quale
Acciai e Ghise
Vengono definiti acciai e ghise le leghe ottenute dalla fusione
di minerali di ferro, carbonio e altri elementi. Il tenore del
carbonio determina le proprietà dei diversi acciai.
La ghisa contiene dal 2 al 6% di carbonio e altre impurità, è
acciaio quando il carbonio è contenuto tra lo 0,3 e l'1,7%.
Alla lega di ferro e carbonio possono essere aggiunti altri
elementi:
- silicio, conferisce un‘elevata resistenza, riduce la
saldabilità;
- rame, ostacola la corrosione;
- manganese, aumenta la durezza, diminuisce l'elasticità;
- cromo, aumenta la durezza, non riduce l'elasticità.
Produzione di Acciaio
La conversione della
ghisa in acciaio si
effettua, fra l’altro,
con ossigeno puro
tramite un
convertitore o
mescolando rottami
metallici alla ghisa
fusa per diminuire il
tenore di C
Classificazione
Ghise Bianche: estremamente dure e fragili, difficilmente
lavorabili servono per pezzi resistenti all’usura (ruote dei
treni…), non subiscono ossidazione. Si ottengono per colata.
Ghise Grigie: dette anche g. lamellari, meno fragili delle
precedenti sono le più utilizzate
(termosifoni, motori,
basamenti…)
Ghise sferoidali: il carbonio si dispone in agglomerati
sferoidali piuttosto che lamellari; questa caratteristica rende il
materiale duttile e molto più lavorabile.
È necessario rispettare attentamente i canoni di purezza
necessari per ottenerla
Classificazione
Acciai comuni: composti da ferro, carbonio e
da tracce di altri componenti.
In base al contenuto di carbonio e alla durezza
di tempra si classificano in:
- extradolci: utilizzati per lamiere, tubi, bulloni;
- dolci: utilizzati per chiodi, ferri da costruzione;
- semiduri: utilizzati per componenti di
%C
macchine;
- duri: utilizzati per rotaie, cavi metallici, tondini
per c.a.;
- extraduri: utilizzati per coltelli, seghe, molle.
Classificazione
•Gruppo I: Acciai Comuni;
Costituiscono il tipo più comune e meno costoso.
Comprendono gli acciai di base e di qualità, anche detti
acciai da costruzione di uso generale. Sono adatti a resistere
soprattutto a sollecitazioni di tipo statico
– Acciai di base: non è richiesta alcuna prescrizione di qualità che
comporti precauzioni speciali durante il processo produttivo.
– Acciai di qualità: sono richieste regolarità di risposta ai trattamenti
termici.
• Gruppo II: Acciai Speciali
– non legati: vengono sottoposti ad un trattamento di tempra
superficiale; presentano una purezza superiore.
– Acciai legati: contengono, oltre al ferro ed al carbonio, silicio,
manganese, nichel, cromo, che conferiscono particolari
caratteristiche meccaniche o chimiche. % degli elementi diversi da
Fe e C > 5% (acciaio inox); per gli utensili si aggiungono V, Mo,
Co per ottenere acciai rapidi o superrapidi
Materiali non ferrosi
Si dicono materiali non ferrosi, tutti quei materiali che non
contengono ferro, ma sono costituiti da altri materiali o loro leghe
I metalli non ferrose si distinguono in:
- Pesanti
 se hanno densità > 5 Kg/dm3
- Leggeri
 se hanno densità < 5 Kg/dm3
- Ultraleggeri  se hanno densità < 2 Kg/dm3
TABELLA ORDINATA SECONDO LA DENSITA’
δ
Metallo
Metallo
Nichel
Platino
21,45
Cadmio
Oro
19,30
Tungsteno
Ferro
19,00
Manganese
Mercurio
13,60
Stagno
Palladio
12,00
Cromo
Piombo
11,35
Argento
Zinco
10,49
Molibdeno
Titanio
10,20
Alluminio
Rame
8,96
Magnesio
Cobalto
8,90
δ
8,90
8,65
7,87
7,44
7,28
7,19
7,13
4,51
2,70
1,74
E’ il più importante dei metalli non ferrosi, molto diffuso in natura ( è il
terzo elemento in ordine di abbondanza – dopo l’ossigeno e il silicio –
e il primo fra i metalli). E’ di colore bianco argenteo.
Proprietà dell’alluminio
Le proprietà particolari dell’alluminio sono:
- Leggerezza;
- Alta conduttività termica ed elettrica;
- Buona plasticità sia a caldo che a freddo;
- Buona fusibilità, malleabilità e tenacità;
- Ottima resistenza alla corrosione;
- Eccellente capacità di formare leghe
Le proprietà dell’alluminio migliorano notevolmente con l’aggiunta di altri elementi
di lega, anche in percentuali molto basse.
L’alluminio può formare leghe con vari metalli come:
 Rame, Magnesio, silicio, manganese, zinco, cromo e titanio
Dal punto di vista di utilizzazione le leghe si suddividono in Leghe per getti e Leghe per
lavorazione plastica.
Tipo di lega
Caratteristiche
Esempi d’impiego
Alluminio-Rame
Adatte per getti e per lavorazione plastica.
Scarsa resistenza alla corrosione.
Pistoni per motori. Laminati e profilati per
strutture sollecitate.
Alluminio-Silicio
Leghe per getti, Ottima colabilità e
resistenza agli agenti atmosferici.
Getti di forma complessa. Componenti per
motori endotermici.
Alluminio-SlicioMagnesio
Leghe per lavorazione plastica. Buona
resistenza alla corrosione, scarsa
saldabilità.
Profilati estrusi per serramenti. Laminati e
trafilati resistenti alla corrosione.
Alluminio-Magnesio
Adatte per getti e lavorazioni plastiche.
Modesta resistenza meccanica, buona
saldabilità e resistenza alla corrosione in
ambiente marino.
Per getti pressofusi con elevata resistenza
alla corrosione. Impiegate nell’industria
navale e chimica, in edilizia e
arredamento
Alluminio-Zinco
Leghe per getti. Buona resistenza
meccanica. Temprabili.
Lega per usi generali, migliorabili con la
tempra. Queste leghe sono impiegate
nell’industria meccanica elettromeccanica
e automobili.
Alluminio-Zinco-Magnesio
Leghe per lavorazione plastica,
bonificabili. Alta resistenza meccanica,
scarsa resistenza alla corrosione.
Laminati e profilati per alte resistenze, con
giunzioni meccaniche.
L’alluminio ha degli indubbi vantaggi, (rapporto leggerezza-resistenza, conducibilità termica
ed elettrica, amagneticità ecc.), ma la produzione dell’alluminio richiede di contro un elevato
dispendio di energia.
Inoltre è una produzione altamente inquinante. Per produrre l’alluminio necessario a
costruire una lattina da 33 cl del peso di 16 g vengono inquinati:
- 38 metri cubi di aria;
- 18 litri di acqua (53 volte la sua capienza);
- 30 centimetri cubi di suolo;
Inoltre la produzione di una lattina:
- genera circa 800 g di rifiuti,in parte anche tossico-nocivi;
- produce 24 g di anidride carbonica;
- richiede in termini energetici un consumo di petrolio equivalente a 5 volte il proprio peso
• In Italia se ne gettano ogni anno circa un miliardo e mezzo di lattina.
• In Danimarca è proibito utilizzare contenitori di alluminio per le bevande
I più importanti, sono il titanio e il berillio.
Il Titanio (Ti) e le sue leghe
•metallo di colore bianco-argenteo,
dotato di elevate caratteristiche
meccaniche
•molto resistente alla corrosione e al
calore e alla fatica
•produzione e lavorazione costose.
(prezzo circa sei volte quello
dell’alluminio).
•leggerezza, durezza, elevata resistenza
meccanica, resistenza alla corrosione e
biocompatibilità
•leghe con Al, Cr, V si impiegano per
costruire fusoliere di aerei ultrasonici,
palette di turbine a vapore, antenne rada
satelliti artificiali, telai ad elevate
prestazioni, impianti ossei o dentali
I metalli ultraleggeri, invece, hanno massa volumica < a 2
Kg/dm. il più importante è il magnesio.
Il Magnesio
- Il magnesio puro(al 99,8%) è molto tenero e di aspetto bianco argenteo
- Bassissima resistenza meccanica e alla corrosione.
 leghe con l’alluminio, con lo zinco e con il manganese. Queste leghe vengono
Definite ultraleggere quando la massa volumica è < a 2 kg/dm3
Leghe Mg-Al-Zn: motori, ruote, componenti che richiedono resistenza alle
vibrazioni
Leghe Mg-Zn-Zr (+ terre rare)  industria aerospaziale, missilistica
Necessità di protezione dall’ossidazione!!!
• I metalli pesanti più importanti nella
formazione di materiali metallici sono:
– Rame
– Nickel
– Zinco
– Metalli Nobili (Oro, Argento, Platino,
Palladio)
Il rame è un metallo di colore rosso-bruno e di
splendore metallico.
E’ presente in quantità diverse in almeno 165 minerali tra cui – Cuprite –
Calcopirite – Malachite ecc. Il rame è uno dei metallo non ferrosi più usati
perché, sia puro che in lega lo rendono utilissimo in molti campi.
PROPRIETA’ E IMPIEGHI
Proprietà
Conducibilità elettrica
Elevata
Conducibilità termica
Buona
Resistenza alla
corrosione
Ottima
Plasticità
Elevata
Saldabilità
Buona
Truciolabilità
Colabilità
Mediocre
Difficile
leghe con vari metalli: Zn, Al, Sn, Ni, Pb. (Cu almeno il 50%)
Le più importanti sono: gli ottoni e i bronzi.
Tipo di lega
Descrizione
Rame-Zinco (Ottoni)
Gli ottoni sono facilmente lavorabili e resistono bene alla
corrosione, Vengono impiegati nelle costruzioni navali e
nella produzione di rubinetteria
Rame-Stagno (Bronzi)
I bronzi sono stati per lungo tempo considerati le più
importanti leghe del rame. Sono leghe da fusione e
resistenti alla corrosione. Sono utilizzati per produrre statue
ed oggetti d’arte, campane, monete, componenti per
l’industria navale.
Rame-Zinco-Nichel (Alpacche)
Si possono lavorare plasticamente alla pressa. Sono
impiegate per oggetti d’arte e ornamentali, contatti elettrici,
chiavi ecc.
Rame-Alluminio (Cuprallumini)
Molto resistenti alle sollecitazioni meccaniche e alla
corrosione, usati per serbatoi, autoclavi, tubazioni ecc.
Rame-Nichel (Cupronichel)
Ottime proprietà meccaniche ed alla corrosione marina.
Utilizzata negli impianti di desalinizzazione e per le chiglie
delle navi. Questa lega detta anche nichelina è impiegata
nella fabbricazione dei fili per le resistenze elettriche e per
monete.
• Leghe nichel-rame
– Impieghi: ambienti acidi fortemente corrosivi, reattori chimici…
• Leghe nichel-molibdeno
– Impieghi: elementi soggetti a corrosione e a temperature di esercizio
elevate, reattori, valvole…
• Leghe nichel-silicio
– Impieghi: elementi sottoposti ad acido solforico a tutte le
concentrazioni fino alla temperatura di ebollizione
• Leghe nichel-cromo
– Impieghi: resistenza alle alte temperature e al ciclaggio termico
(turbine,diffusori razzi, tubi di scappamento)
• Leghe nichel-cromo-ferro
– Impieghi: resistenza alla corrosione ad elevate temperature (forni e
resistenze)
• SUPERLEGHE PER IMPIEGHI PARTICOLARI
Guanti missione Apollo
Cromel
Magneti permanenti
Permalloy