I materiali metallici

1. I materiali metallici

2. I materiali metallici Tra gli svariati materiali disponibili per la produzione di prodotti finiti, ci occuperemo soprattutto dello studiodeimateriali metallici, in quanto occupano ancora un ruolo preminente nelle costruzioni meccaniche.

3. I metalli I metalli sono gli elementi più numerosi della tavola periodica, di cui occupano la parte sinistra.

4. strutture

5. 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 Leghe Metalliche Materiali ferrosi Materiali non ferrosi

6. 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…

7. 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

8. 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)

9. METALLURGIA Riduzione •può essere preceduta da arrostimento (un composto viene trasformato nell’ossido; es: FeS + O2 FeO)

10. 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)

11. I cristalli che si formano nelle leghe metalliche sono di tre tipi fondamentali: Struttura delle leghe • Cristalli puri • Cristalli di soluzioni solide o misti • Cristalli di composti intermetallici

12. A C C B Soluto Solvente Struttura delle leghe Lega di cristalli puri Lega di cristalli di soluzione solide o misti Lega di cristalli di composti intermetallici

13. 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

14. 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

15. 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.

16. 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

17. 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

18. 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 macchine; - duri: utilizzati per rotaie, cavi metallici, tondini per c.a.; - extraduri: utilizzati per coltelli, seghe, molle. %C

19. 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

20. Materiali non ferrosi

21. Materiali metallici 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’ Metallo δ Metallo δ Nichel 8,90 Platino 21,45 Cadmio 8,65 Oro 19,30 Ferro 7,87 Tungsteno 19,00 Manganese 7,44 Mercurio 13,60 Stagno 7,28 Palladio 12,00 Cromo 7,19 Piombo 11,35 Zinco 7,13 Argento 10,49 Titanio 4,51 Molibdeno 10,20 Alluminio 2,70 Rame 8,96 Cobalto 8,90 Magnesio 1,74

22. L’alluminio 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

23. Leghe di alluminio Dal punto di vista di utilizzazione le leghe si suddividono in Leghe per getti e Leghe per lavorazione plastica.

24. Produzione e riciclaggio dell’alluminio • 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

25. Altri materiali leggeri 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 radar, satelliti artificiali, telai ad elevate prestazioni, impianti ossei o dentali

26. materiali ultraleggeri 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!!!

27. i metalli pesanti e le loro leghe • I metalli pesanti più importanti nella formazione di materiali metallici sono: • Rame • Nickel • Zinco • Metalli Nobili (Oro, Argento, Platino, Palladio)

28. Il rame e le sue leghe 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

29. Leghe del rame leghe con vari metalli: Zn, Al, Sn, Ni, Pb. (Cu almeno il 50%) Le più importanti sono: gli ottoni e i bronzi.

30. Leghe del Nickel • 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)

31. Leghe del Nickel • SUPERLEGHE PER IMPIEGHI PARTICOLARI Guanti missione Apollo Cromel Magneti permanenti Permalloy