1

MetalliIl 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 Proprietà del materiale

Legami forti 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

2

MetalliLa 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

3

Metalli

4

Leghe Metalliche

Le leghe metalliche sono miscele di metalli o di metalli e non-metalli 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 componentiLe proprietà non variano linearmente con la composizione

Permettono di ottenere proprietà specifiche o ottimizzare un insieme di proprietà.

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

Metallo baseElementi di alligazione

6

Leghe Metalliche

Variazione delle proprietà delle

leghe

Composizione della lega

Struttura intrinseca

7

Leghe MetallicheStruttura delle leghe

Soluzioni solide: 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.Cu3Al, Ag5Cd8)

Miscele meccaniche:Miscele eterogenee di cristalli di elementi, soluzioni solide o composti intermetallici

8

Ferro, Acciai e Ghise

FERRO

ACCIAIMax 1.7% C

GHISE2% < C < 4%

LEGHE NON FERROSEBasate su altri

elementi in concentrazioni tali

che il ferro, se presente, lo è come

impurezza più o meno controllata.

LEGHE FERROSEIl ferro supera il 50 % in

peso della lega

9

Ferro, Acciai e Ghise

10

Ferro, Acciai e GhiseIl 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 Ematite (Fe2O3) Magnetite (Fe3O4) Limonite (Fe2O3•nH2O) Carbonato di Ferro (FeCO3).

solfuri Pirite (FeS) Marcasite Pirrotina

11

Allotropia del Ferro

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" non-ferromagnetica 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.

13

Acciaio

Acciaio

Lega di ferro e carbonio con tenore di carbonio inferiore all'1,8%.

Ghisa

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.

14

Tipologie di leghe

α, ferrite

0,02% C

(Fe3C)Eutettoide

Ferrite + Cementite

N.B.

Fe3C (cementite) non è una fase di equilibrio

15

Tipologie di leghe

A C

B

A – Acciai ipo-eutettoidici: < 0.8% C

B - Acciai eutettoidici: 0.8% C

C - Acciai iper-eutettoidici: > 0.8% C

16

Tipologie di leghe

A – Acciai ipo-eutettoidici: < 0.8% C

17

Tipologie di leghe

B - Acciai eutettoidici: 0.8% C

Si forma una miscela eutettica chiamata Perlite

18

Tipologie di leghe

C - Acciai iper-eutettoidici: > 0.8% C

19

ProduzioneMinerali 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.

20

ProduzioneL'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.

21

ProduzioneDalla 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

CO2 + C CO

C +O2 CO2

22

Produzione3 Fe2O3 + CO 2 Fe3O4 + CO2 ∆H= - 12.000 cal

Fe3O4 + CO 3 FeOw + CO2 ∆H= 9.000 cal Wustite

FeOw + CO Fe + CO2 ∆H= -4.000 cal

3Fe + 2 CO Fe3C + CO2

Cementite

Formazione di idrogeno da CO e acqua:

CO + H2O ⇔ H2 + CO2

Azione riducente dell’idrogeno

Fe2O3 + 3 H2 ⇔ 2 Fe + 3 H2O

Fe3O4 + 4 H2 ⇔ 3 Fe + 4 H2O

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

24

Produzione

25

ProduzioneIl 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

26

ProduzioneIl processo Bessemer

Si + O2 SiO2

Mn + ½O2 MnO

C + ½ O2 CO

27

ProduzioneIl processo Bessemer Nel giro di 12-15 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

28

ProduzioneIl 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.

29

ProduzioneIl processo Martin Siemens

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)

30

ProduzioneConvertitore 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.

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.

2

31

ProduzioneConvertitore 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.

32

ProduzioneIl processo a Forno elettrico 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

33

ProduzioneNon 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

34

ProduzioneDifetti 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

35

TrattamentiTermici

Insieme di operazioni di riscaldamento e di raffreddamento mediante le quali vengono conferite al materiale particolari caratteristiche meccaniche e strutturali.

Ricottura

Normalizzazione

Tempra

Rinvenimento

Trasformazioni di struttura cristallina del ferro e delle soluzioni solide ferro-carbonio.

Bonifica

36

TrattamentiTermici

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.

37

TrattamentiTermici

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.

38

TrattamentiTermici

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.

39

TrattamentiTermici

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.

40

TrattamentiTermici

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

41

TrattamentiIndurimento 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.

CementazioneArricchimento in carbonio della zona superficiale del pezzo

NitrurazioneIndurimento 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 Fe4N

42

Tipologie

Composizione

Acciai al carbonio

Acciai speciali.

Acciai maraging

Acciai patinabili

Caratteristiche degli acciai

Trattamenti

Termici

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

> 0,75Extraduri0,50-0,75%Duri 0,25-0,50%Semiduri0,15-0,25%Dolci< 0,15%Extradolci

CC

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

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%

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 • Molibdeno • Vanadio • Tungsteno • Alluminio • Silicio

47

Tipologie Acciai speciali

W (Tungsteno)

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

48

Tipologie Acciai speciali

Si (Silicio)

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).

49

Tipologie Acciai speciali

Acciai Maraging

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.