Proprietà dei materiali - Tipi di materiali

Sono: proprietà chimico-strutturali, proprietà fisiche, proprietà meccaniche e proprietà tecnologiche. Per ciascuna di queste proprietà esiste una scala che indica il grado o la misura posseduta da un materiale rispetto ad altri: la conoscenza delle proprietà dei materiali permette di sceglierli in modo idoneo sulla base delle applicazioni e delle lavorazioni.

Proprietà chimico-strutturali: Riguardano la composizione chimica dei metalli e la loro struttura interna (cristallina). Rientrano in essi i fenomeni che si producono tra i materiali e l'ambiente esterno esempio: ossidazione, corrosione.

Proprietà fisiche: Si riferiscono alle caratteristiche generali dei materiali in riferimento ad agenti esterni come il calore, l'elettricità.

Proprietà meccaniche: Riguardano la capacità dei materiali di resistere a forze esterne: pressione, urti e trazioni. Le principali proprietà meccaniche sono: la resistenza meccanica all'usura e la resistenza all'urto.

Proprietà tecnologiche: Riguardano l'attitudine dei materiali a tipi di lavorazioni meccaniche come: malleabilità, piegabilità, duttilità.

Proprietà fisiche

1) Massa volumica o densità o peso specifico: Si definisce massa volumica il rapporto tra la massa di un corpo e il suo volume. La massa volumica di un metro cubo di alluminio equivale a 2700 kg/m^3. Le leghe leggere sono a base di alluminio.

Per densità si intende il rapporto tra massa volumica di una sostanza con quella di riferimento (acqua a 4°C).

Vedere tabella pag. 85

2) Calore specifico: E' la quantità di calore che occorre fornire all'unità di massa di una di una certa sostanza per elevarne la temperatura di 1°C. Per portare da 0°C a 100°C la temperatura di 1 Kg di alluminio è necessario fornire all'alluminio 90.000 joule/Kg K. Per l'acciaio e la ghisa a una temperatura di 20°C corrisponde il calore specifico di 502 joule/Kg K. Vedere tabella pag. 86.

Cs= calore specifico K= Kelvin

C= Cs M

C= capacità termica M= massa

Q= Cs M (Tf - Ti)

Q= quantità di calore Tf= temperatura finale Ti= temperatura iniziale

3) Dilatazione termica: Il coefficiente di dilatazione termica lineare a esprime l'aumento di lunghezza delta l, che subisce il materiale di lunghezza iniziale (Li o Lo) per effetto di una variazione di temperatura delta t. Vedere tabella pag. 86

Lf= Li a (Tf - Ti)

a= coefficiente dilatazione lineare

4) Temperatura di fusione: E' la temperatura la quale un materiale comincia a passare dallo stato solido a quello liquido. Se riscaldiamo un pezzo di ferro fino a portarlo alla temperatura di 1535°C il ferro fonde passando dallo stato solido a quello liquido. Il piombo fonde invece ad una temperatura di 327°C vale a dire ad una temperatura inferiore a quella del ferro.

La temperatura di fusione di un materiale si chiama anche punto di fusione.

Vedi tabella pag. 87

5) Calore latente di fusione: Quando un materiale ha raggiunto la temperatura di fusione, è necessario continuare a fornire calore affinché la fusione avvenga completamente. Questo calore che si deve continuare a fornire è detto calore latente di fusione. Le leghe invece iniziano la fusione ad una temperatura T1 e la completano ad una temperatura diversa T2.

6) Conduttività termica: Ogni materiale ha una diversa capacità di condurre il calore. Sono buoni conduttori di calore: rame, alluminio, argento, oro. Sono cattivi conduttori di calore: amianto, lana di vetro, polistirolo, porcellana (chiamati isolanti termici).

7)Conduttività elettrica: Due o più fili di metalli differenti hanno una conduttività elettrica differente perché introducendo la stessa tensione di corrente, ogni metallo viene attraversato da diversa intensità. Sono buoni conduttori di elettricità: rame, argento, alluminio. e metalli in genere. Sono cattivi conduttori di elettricità: carbone, porcellana, vetro e non metalli in genere e sono detti isolanti. Bisogna calcolare la resistenza che si ha al passaggio della corrente elettrica in un conduttore lungo generalmente 1 metro e di area di 1 metro quadrato.

R= resistenza elettrica r= resistività elettrica L= lunghezza conduttore S= sezione conduttore

V= differ 444f57e enza di potenziale tra 2 punti estremi

I= intensità di corrente elettrica continua

Proprietà meccaniche

Riguardano la capacità dei materiali di resistere alle sollecitazioni dovute all'azione di forze esterne. Le forze applicate ai materiali:

Forze statiche: sono forze applicate con gradualità e continuità nel tempo. La capacità che i materiali hanno di resistere a forze statiche è detta: resistenza meccanica. Le forze statiche sono: trazione, compressione, flessione, torsione e taglio.

Forze dinamiche: Sono applicate in tempi brevi sotto forma di urto però per meno di 1 decimetro di secondo. La resistenza dei materiali a forze dinamiche è detta: resilienza.

Forze periodiche: Hanno un carattere ripetitivo nel tempo. La resistenza dei materiali a forze periodiche è detta: resistenza alla fatica.

Forze concentrate: La resistenza che i materiali oppongono a forze applicate in zone ristrette o puntiformi è detta : durezza, ad esempio vedi tornitura e fresatura.

Forze di attrito: La resistenza che i materiali oppongono alle forze che vengono applicate sui contatti mobili e striscianti è detta: resistenza all'usura, ad esempio gli alberi e i cuscinetti, le guide di scorrimento.

Tipi di sollecitazioni statiche

Ogni sollecitazione che agisce singolarmente su una struttura è detta: sollecitazione semplice. Si definisce sollecitazione statica l'insieme di forze esterne agenti su un corpo. Un solido può essere sottoposto a più di una sollecitazione semplice contemporaneamente, in questo caso si parla di: sollecitazioni composte.

Sollecitazione di trazione: Un corpo è sollecitato a trazione quando 2 forze di uguale intensità tendono ad allungarlo.

Sollecitazione di compressione: Quando le forze dirette lungo l'asse tendono ad accorciarlo.

Sollecitazione di flessione: Si ha quando la forza applicata tende a piegarlo o a fletterlo. La direzione della forza è perpendicolare all'asse del pezzo.

Sollecitazione di torsione: Un corpo è sollecitato a torsione, quando è sottoposto ad una forza che tende a far ruotare una sezione del pezzo rispetto all'altra.

Sollecitazione di taglio: Si ha per effetto di una forza applicata, soltanto su una parte del corpo stesso, che tende di conseguenza a scorrere rispetto all'altra parte, mantenuta fissa da una forza contraria.

Prove e controlli di materiali

Occorre eseguire sui materiali delle prove specifiche, in laboratori attrezzati. Le prove vengono suddivise in: 1) prove distruttive, 2) prove non distruttive.

Le prove non distruttive si possono eseguire su qualsiasi pezzo meccanico. Le prove distruttive vengono eseguite su campioni di materiali detti: provette.

Resistenza a trazione

La resistenza meccanica è la capacità dei materiali di resistere a forze statiche esterne. La resistenza meccanica dei materiali può essere misurata con prove specifiche di: trazione, compressione, torsione, taglio, flessione.

La prova più importante è quella di: trazione statica, dalla quale si rilevano le proprietà di resistenza, deformabilità e di elasticità del materiale.

Prova di trazione statica

La prova consiste nel sottoporre una provetta ad un carico di trazione applicato gradualmente e con continuità fino a provocarne la rottura. Un materiale sottoposto a trazione manifesta 5 momenti o fasi differenti di allungamento:

Elasticità e proporzionalità

Sola elasticità (senza proporzionalità)

Elasticità e plasticità

Snervamento

Rottura.

Fase di elasticità e proporzionalità: si ha quando il materiale è sottoposto ai primi carichi, l'allungamento cresce proporzionalmente al carico. A cessare del carico la provetta riacquista le dimensioni iniziali.

Fase di sola elasticità : aumentando il carico il materiale è ancora elastico, cioè nelle formazioni permanenti sono trascurabili rispetto a quelle elastiche, la provetta si allunga di più e in modo non proporzionale al carico.

Fase di elasticità e plasticità : la provetta comincia a subire delle deformazioni che permangono, anche dopo aver eliminato il carico;il materiale presenta deformazioni sia plastiche, sia elastiche.

Fase di snervamento : si ha quando la deformazione della provetta aumenta per la prima volta senza che il carico diminuisca. Questo cedimento si chiama carico di snervamento. Questa fase non compare nei materiali fragili i quali giungono a rottura sotto un carico determinato, senza passare dalla fase di snervamento.

Fase di rottura : aumentando il carico, la provetta continua a deformarsi fino a rompersi, in questa fase la sezione si stringe visibilmente e si ha il fenomeno di strizzone.

Resilienza

la resilienza è la proprietà dei materiali di resistere a forze dinamiche ( urti e strappi). La resilienza è l'inverso della fragilità. Quanto più grande è il valore della resilienza, tanto minore è la fragilità e viceversa. I materiali con buona resilienza sono detti tenaci, cioè mostrano buon allungamento e resistenza alla trazione.

Prova di resilienza

Consiste nel misurare il lavoro (L) necessario per rompere una provetta con un sol colpo il materiale di sezione So. La resilienza (K) è espressa dal rapporto K=L/So. L'unità di misura della resilienza è di J/cm^2.

Macchina per la prova

di resilienza

E' nota col nome di pendolino Charpy ( pag. 106) che incontra sulla sua traiettoria una provetta unificata, la rompe e continua la sua corsa fino ad una certa quota. La macchina è tarata per dare immediatamente su un quadrante il valore dell'energia assorbita dalla provetta.

Indice di resilienza

Il lavoro (L) necessario per rompere la provetta è dato da: L=P H-P h

dove P= peso H= altezza del peso del pendolo prima di rompere la provetta

h= altezza del peso dopo la rottura della provetta.

Ricordiamo che l'indice di resilienza è dato da K=L/So.

Durezza

La durezza è la proprietà che hanno i materiali di resistere alla penetrazione di un corpo di un materiale duro, in ogni caso più duro del materiale in esame. Le prove di durezza non alterano il materiale sottoposto alla prova, consentono di stabilire il grado di lavorabilità delle macchine. In base alla durezza viene effettuata la scelta dei materiali per lavorazioni meccaniche. I materiali più duri hanno un'elevata resistenza alla trazione, sono poco plastici e adatti alle lavorazioni con macchine.

Prove di durezza

Il grado di durezza viene misurato comprimendo sulla superficie del materiale un penetratore di dimensioni opportune. Dalle dimensioni dell'impronta prodotta sotto un determinato carico, si deduce il grado di durezza. Gli apparecchi sono detti: durometri.

I metodi più usati per i valori della durezza sono: HB (Brinnell), HR( Rockwell), HV( Vickers).

Prova di durezza di Brinell

Il metodo viene usato in prevalenza per materiali teneri, acciai dolci, leghe leggere. Si fa penetrare nel materiale in esame una sfera di acciaio duro, pressata con un carico prestabilito. La durezza è inversamente proporzionale alla superficie dell'impronta sul pezzo. Il diametro della sfera di solito è di 10 mm e il peso è di solito circa 3000 kg ( 29420 Newton). Il carico massimo deve essere raggiunto gradualmente e mantenuto da 10 a 15 secondi. Il diametro dell' impronta( d) deve essere compreso tra ¼ e la metà del diametro della sfera (D).

Indice di durezza di Brinell

HB= 0,102 F/S

F= valore carico.

S= superficie dell'impronta riscontrabile sul materiale.

F è espresso in Newton.

0,102 è il fattore di convenzione tra le 2 unità: 1 Newton = 0,102 Kg.

Esempio: HB 5/750/20 significa che la prova di Brinell è stata eseguita con una sfera avente diametro di 5 mm, il carico F è di 750 Kg, applicato per 20 secondi.

Durometro di Brinell

La macchina per eseguire tale prova è dotata di un dispositivo che consente di regolare con precisione i carichi che agiscono sul penetratore. La superficie dell'impronta S si ricava con la seguente formula:

D= diametro sfera

S= superficie

d= diametro impronta

Diametro d si rileva per mezzo di un microscopio dotata di una scala graduata.

Prove di durezza di Vickers

Il metodo nel far penetrare nel materiale in esame una punta di diamante a forma piramidale a base quadrata; sottoponendo il penetratore ad un carico prestabilito. Il valore della durezza non varia sensibilmente con il carico, che può variare da 5 a 100 Kg, quello più comune è di 294 Newton (30Kg). La durata di applicazione è di 10-15 secondi.

Macchine per le prove di Vickers

La macchina è dotata di un sistema che consente di applicare al penetratore precisi carichi prestabiliti e la stampa dei risultati della prova.

Indice della durezza di Vickers

Il suo simbolo è HV.

HV = F/S

F = carico

S = superficie

S =

d = diagonale del quadrato rilevabile otticamente sullo schermo della macchina.

Apposite tabelle danno direttamente il valore di S quando si conosce d.

Esempio: HV 10/15: significa che il carico utilizzato è di 10 Kg per una durata di 15 secondi.

Per i materiali duri sono consigliate le prove di Vickers e Rockwell che sfruttano un penetratore di diamante. Per materiali teneri si consiglia la prova di Vickers, di Brinell e Rockwell.

Altoforno

E' una gigantesca costruzione di acciaio internamente rivestita di materiale refrattario che costituisce il fulcro del ciclo siderurgico integrale. Qui in successione di fasi, il minerale di ferro, con l'intervento del carbon coke e dei fondenti, si trasforma in ghisa il periodo di esercizio, durante il quale l'impianto non viene mai spento, può durare 7-8 anni, al termine dei quali viene rifatto il rivestimento refrattario. Ogni giorno 5000 tonnellate di minerale e 1800 tonnellate di carbone vengono consumati dall'altoforno. In esso si generano 2 correnti, una ascendente di gas, l'altra discendente di carica solida; le correnti sono simultanee e opposte, tra esse si svolgono intensi scambi di calore e complesse reazioni chimiche. La corrente dal basso verso l'alto è costituita da gas formatosi nella zona di combustione che si formano per reazione del combustibile coke con l'aria insufflata all'interno dell'altoforno. La miscela gassosa dopo aver percorso in altezza l'altoforno viene raccolta nella parte superiore ed esce da un camino per essere utilizzata, una volta depurata dai servizi ausiliari necessari al funzionamento dell'impianto siderurgico. La carica solida percorre zone a temperatura sempre più crescente per raggiungere in base lo stato liquido. Le ceneri, le impurità del ferro si uniscono formando la scoria e la loppa di altoforno. La separazione tra la ghisa e le scorie avviene per differenza di peso specifico che determinano il galleggiamento delle scorie sui liquidi di fusione. La loppa viene recuperata e utilizzata per fabbricare il cemento d'altoforno. La ghisa liquida viene colata in un grande recipiente chiamato siluro. La colata avviene ogni 2.30 ore. Ogni giorno vengono estratte dall'altoforno ben 3500 tonnellate di ghisa liquida. Il crogiolo raggiunge 10-15 metri di diametro e l'altezza dell'altoforno può superare anche 40 metri.

Struttura dell'altoforno

E' una costruzione metallica, formata da una corazza esterna d'acciaio rivestita all'interno di mattoni refrattari. Le sue pareti sono raffreddate da un sistema di circolazione d'acqua.

Bocca di carica: Situata nella parte superiore del forno, in essa vengono versate le cariche di minerali. In essa confluiscono 4 grosse tubazioni che raccolgono i gas dell'altoforno e li convogliano ai depuratori di polvere. Il sollevamento dei materiali fino alla bocca di carica del forno è realizzato mediante nastri trasportatori (Skips). All'inizio della bocca di carico la temperatura è di 250°C

Tino cilindrico: E' la parte più lunga del forno e ha nella parte superiore forma cilindrica con temperatura di 400°C, nella parte inferiore ha forma tronco-conica con temperatura di 800°C. In questa zona i materiali refrattari oltre a subire l'azione di usura sono soggetti a sollecitazioni chimiche. L'allargamento verso il basso favorisce la discesa del materiale.

Ventre: A forma cilindrica la temperatura in esso raggiunge 1350°C, rappresenta la zona di maggior diametro del forno stesso. I refrattari usati in questa zona sono di tipo carbonioso poiché sono i più adatti alle sollecitazioni meccaniche e chimiche.

La sacca: A temperatura di 1600°C. E' la parte immediatamente superiore al crogiolo e ha forma tronco-conica. In essa avviene la fusione; è la zona più sollecitata del forno a causa delle elevate temperature. La sua forma a imbuto permette al grosso della carica di fondere e scendere nel crogiolo. I refrattari della sacca sono carboniosi perché resistono all'attacco di scorie e consentono un raffreddamento efficace.

Crogiolo: E' la zona più bassa del forno, rivestita in refrattari di carbonio, ha funzione di raccogliere i materiali fusi che si formano. Nella parte superiore del crogiolo si trova la bocca di colata della loppa e più in basso la bocca di colata della ghisa liquida.

Le ghise

Si definisce ghisa una lega di ferro-carbonio che contenga una percentuale di carbonio tra il 2,6% e il 6,67%,percentuali superiori al 4,5% si trovano solo nella ghisa di prima fusione cioè quella che non ha nessun utilizzo industriale. La ghisa semplice è prodotta sola con elementi di ferro e carbonio, la ghisa legata è prodotta con un inserimento nella lega di altri metalli. La ghisa di seconda funzione è utilizzata nell'industria meccanica ed è creato unendo alla ghisa di prima funzione rottami di ferro, successivamente si raggiunge il tenore di carbonio voluto soffiando ossigeno che brucia il carbonio in eccesso. A seconda della disposizione chimica del carbonio si ottiene:

Ghisa bianca;

Ghisa grigia.

Ghisa bianca: presenta il carbonio combinato chimicamente con il ferro sottoforma di cementite, è dura ed è utilizzata per costruire vagoni ferroviari e carrelli locomotori. L'estrema durezza non permette lavorazioni con macchine utensili (eccetto la molatura), mediante il trattamento termico di cottura si ottiene la: ghisa malleabile che ha la composizione di cementite scomposta in granuli di grafite (ghisa meno dura).

Ghisa grigia: presenta il carbonio sottoforma di grafite che assume disposizione lamellare. E' una ghisa fragile con scarsa resistenza a trazione. Con trattamenti chimici e fisici, si fa assumere alla grafite forma sferoidale; la grafite si dispone in piccoli grani migliorando la resistenza a trazione e la tenacità.

Le caratteristiche della ghisa

Le caratteristiche meccaniche possono modificarsi a seconda delle concentrazioni di carbonio e i trattamenti termici ricevuti; la ghisa ha scarsa resistenza a trazione e flessione, resiste a compressione, ha una discreta durezza, non resiste al taglio.

Le caratteristiche tecnologiche: La ghisa eccelle nella fusibilità (infatti viene prodotta per getti) non è malleabile, non sopporta lavorazioni a freddo e a caldo, ha scarsa saldabilità. La massa volumica è di 7250 Kg/m^3 la resistenza a trazione è di 100-400 N/mm^2.

Classificazione delle ghise

Avviene per normativa UNI (unificazione nazionale italiana).

G 15 UNI 5330/69 G sta per ghisa. 15= resistenza minima a trazione UNI = normativa 5330= numero della normativa 69= anno di costruzione

G = ghisa grigia

GH = ghisa per impieghi automobilistici

GS = ghisa sferoidale

GMB = ghisa malleabile a cuore bianco

GMN = ghisa malleabile a cuore nero

Utilizzazione della ghisa

La ghisa si trova in commercio sottoforma di pani della sezione trapezoidale o semicircolare. Ha buona conducibilità termica, si usa per la costruzione di impianti di riscaldamento, caldaie e caminetti, ma anche per la costruzione di parti del motore nella catena automobilistica: basamenti, monoblocco, BL, raccordi dei tubi di scarico e per la costruzione di utensili. Le ghise grigie sono meno dure e meno fragili delle bianche e possono essere lavorate con macchine utensili.

Colata della ghisa

Da una bocca inferiore dell'altoforno la ghisa fusa cola in un carro siluro, che lo trasporta e lo fa colare in secchi detti siviere per ottenere i pani di ghisa.

Conversione della ghisa in acciaio

In acciaieria l ghisa viene versata in un grosso recipiente chiamato convertitore (LD) .

Qui viene insufflato ossigeno che sottrae carbonio alle ghise trasformandole in acciaio (affinazione). I principali processi per la fabbricazione dell'acciaio prendono il nome dal convertitore utilizzato.

Convertitore Bessemer e Thomas

Una volta caricati i convertitori di ghisa liquida, si insuffla dal fondo aria sotto pressione attraverso una serie di fori. L'ossigeno ottenuto nell'aria reagisce col carbonio della ghisa producendo CO e CO2. La differenza tra il convertitore Bessemer e quello Thomas sta nel rivestimento di refrattario interno al convertitore stesso: infatti nel primo il rivestimento refrattario è acido perché più adatto per raffinare ghisa ricca di silicio, mentre nel secondo è basico perché più adatto per affinare ghisa ricca di fosforo. Tali convertitori sono però oggi praticamente abbondanti.

Forno Martin-Siemens

Il nome deriva dal forno a riverbero ideato nel 1865 circa in Francia dai fratelli Martin e dai fratelli tedeschi Siemens che pensarono ad un recupero di calore per raggiungere temperature elevate. La volta del forno, in refrattario acido, ha il compito di riverberare le fiamme e il calore sulle cariche disposte sulla suola. Il recupero del calore avviene quando i fumi prodotti dalla combustione sono convogliati in apposite camere. Qui cedono parte del proprio calore al gas, che può essere metano o gas do cokeria, e all'aria, prima che questi ultimi siano inviati in laboratorio. Le camere sono in totale 4, 2 per l'aria e 2 per il gas. Quando il gas e l'aria entrano nel laboratorio, a temperatura molto alta, bruciano tra loro producendo una lunga fiamma che riscalda la carica metallica. Questa fiamma percorre tutto il laboratorio nella sua lunghezza, portando la carica a una temperatura di 1800°C. A intervalli di circa mezz'ora, attraverso apposite valvole di inversione del gas, si inverte il ciclo inviando aria e gas combustibile dalla parte opposta del laboratorio. Questo tipo di forno non si costruisce più dal 1967 e quelli esistenti saranno ormai usati fino al loro disarmo, per poi essere sostituiti da convertitori L.D. o forni elettrici.

Convertitore a ossigeno B.O.P.

Costruito nel 1953 in Austria nelle 2 città di Linz e Donawitz, è conosciuto in Europa come convertitore L.D. Negli Stati Uniti questo tipo di convertitore è conosciuto con la sigla B.O.P. , dalle iniziali di Basic Oxigen Process. Si tratta di digerire ad alta velocità sulla superficie della ghisa liquida contenuta nel convertitore un getto di ossigeno puro al 99,5%, servendosi di una lancia raffreddata internamente ad acqua. Questo tipo di convertitore è molto usato perché riesce a produrre una colata ogni 40-50 minuti e perché l'acciaio prodotto è di ottima qualità. Il forno è caricato con rottame di ferro e ghisa liquida di prima fusione, e ha ormai reso antiquati i processi di affinazione Bessemer e Thomas.

Convertitore a ossigeno O.B.M.

La sigla O.B.M. significa Oxigen Boden Max-Hutte e il processo fu sviluppato dalla società tedesca Maximilian Hutte nel 1967. E' un processo che accomuna i processi Thomas e L.D. ; infatti dal fondo del convertitore, attraverso una serie di fori, è insufflato ossigeno puro che si miscela, entrando nel convertitore, con metano o propano. Lo scopo dell'ossigeno è quello di decarburare la ghisa, mentre l'aggiunta di metano o di propano riesce a raffreddare la zona del forno dove l'ossigeno entra a contatto con la ghisa. Il raffreddamento si verifica perché avviene una reazione chimica nel metano o propano detta piroscissione; con questo raffreddamento si evita ala rapida corrosione del fondo del convertitore.

Forno elettrico

Il forno elettrico è oggi quello più usato, ed è caricato con rottame di ferro, calcare e piccoli pezzi di ghisa per la ricarburazione. E' costituito da una volta di mattoni refrattari silicei tenuti assieme da una fasciatura in lamiera d'acciaio. Ci sono poi 2 elettrodi di grafite se la corrente è monofase, o 3 elettrodi di grafite se la corrente è trifase (oggi si usa la corrente trifase). Questi elettrodi hanno lo scopo di far scoccare archi voltaici con il materiale introdotto (o carica metallica) per portarlo a fusione. La carica è preparata introducendo dall'alto rottami di ferro e dalla porta posteriore la ghisa e il calcare, quindi si dà corrente. Gli archi voltaici producono molto calore che si trasmette, per irraggiamento, alla carica riscaldandola e portandola alla temperatura di circa 1550-1600°C. Quando l'acciaio fuso è pronto si attiva il pistone oleodinamico del dispositivo di ribaltamento; il forno ruota quindi su una culla metallica dal canale di colata fuoriesce l'acciaio fuso raccolto poi nella siviera.

Convertitore A.O.D.

La sigla significa Argon Oxigen Decarburation, ossia decarburazione a mezzo di argon e ossigeno, e il processo compare negli stabilimenti siderurgici verso il 1970. E' utilizzato per la produzione di acciaio inossidabile in coppia con un altro forno, ad esempio con quello elettrico dal quale riceve l'acciaio già parzialmente decarburato. Nel convertitore A.O.D. è immesso argon (o azoto) miscelato con ossigeno attraverso dei tubi posti appena al di sopra della base del convertitore. La presenza della miscela aron-ossigeno genera una temperatura del bagno metallico più bassa e riduce la reattività che avrebbe il solo ossigeno con il carbonio e il cromo. Quest'ultimo è presente in tenore elevato, anche del 18%, negli acciai inossidabili per conferire appunto l'inossidabilità. Con questo convertitore si può spingere la decarburazione fino a ottener acciai inossidabili con tenore di carbonio dello 0,01%, i cosiddetti acciai Low Carbon.

Colata di acciaio

Quando il tenore di carbonio è diminuito fino ai valori necessari si sospende il sufflaggio di ossigeno. L'acciaio ottenuto viene versato in lingottiere( colaggio in lingottiere). I procedimenti moderni prevedono la colata continua, cioè la trasformazione diretta dell'acciaio liquido in semi-prodotti ( brame, brumi, billette) .

Preparazione della laminazione

I lingotti di acciaio vengono trasportati nei forni e riscaldati a 1200° C da 6 a 12 ore.

Laminazione di sbozzatura

I lingotti estratti dai forni sono trasportati sul piano a rulli del laminatore sbozzatore e trasformati in lisci parallelepipedi di varie dimensioni( semi- prodotti) dopo la laminazione vengono ripuliti dalle scaglie superficiali e ancora caldi trasportati da una cesoia per il taglio dell'estremità. Il materiale raffreddato viene nuovamente inserito nei forni a spinta e quindi nuovamente ad una ulteriore laminazione. Gli impianti di laminazione trasformano i semi- prodotti in lamiere e profilati. I più importanti impianti sono:

1. " treno a caldo" per lamiere grosse;

2. " treno a caldo" per nastri e lamierini;

3. " treno a caldo" per barre e profilati;

4. " treno a freddo" per nastri e lamierini sottili.

GLI ACCIAI

Composizione degli acciai

Sono leghe di ferro carbonio che contengono da 0,08% a 2,06%.

Il ferro non trova utilizzo allo stato puro, in effetti anche quello chiamato ferro è in realtà ferro dolce. Si chiama lega di ferro- carbonio in cui il tenore di carbonio è minore dello 0,08%. Nella consuetudine viene chiamato ferro anche l'acciaio dolce che ha tenore minore dello 0,1%. Il ferro che si ottiene per il processo siderurgico non è chimicamente puro ma contiene ancora impurità di silicio, carbonio, zolfo, fosforo, ecc.. Per ottenere il ferro puro bisogna ricorrere a procedimenti elettrolitici e chimici che lo rendono puro ( procedimento molto costoso) . E' facilmente deformabile e saldabile, viene lavorato tramite la fucinatura( ferro battuto) per oggetti ornamentali. Il ferro puro viene applicato solo in elettronica. E' duttile, malleabile, fonde a 1535° C, rammollisce a 960°C, a 1300° C diventa pastoso. Poiché diventi scorrevole, bisogna salire a 1600°C, perciò il suo ritiro è notevole; è magnetico ma non magnetizzabile e la sua resistenza all'ossidazione è scarsa.

Acciaio

Lega FEC ferro- carbonio; percentuale di carbonio da 0,08% a 2,06% .

Sono di 2 tipi:

acciaio semplice;

acciaio speciale.

I semplici contengono solo ferro, carbonio e impurità; gli acciai speciali contengono anche elementi alliganti in percentuale elevata. In commercio si trova sotto forma di lastre, lamiere, tubi, fili, profilati e barre. Sono classificati con le norme UNI mediante sigle e simboli. Sono resistenti, duri e tenaci più del ferro dolce, ma meno plastici, non sempre sono laminabili, fucinabili e saldabili a caldo.

Produzione degli acciai

Si ricavano dalla ghisa riducendo il tenore di carbonio e i tenori di silicio, fosforo, magnesio ed altri componenti. Altri vengono aggiunti per riconferire all'acciaio determinate proprietà.

Questo processo si chiama affinazione della ghisa. Esso consiste nell'immettere in un forno detto convertitore una quantità di rottami di ferro e successivamente ghisa di prima fusione allo stato liquido in quantità ben definite. Il rottame di ferro ha lo scopo di abbassare la temperatura della ghisa e conseguentemente ridurre la concentrazione di carbonio. Successivamente attraverso una lancia termica immessa nella lega fusa, viene soffiato ossigeno che con il carbonio genera combustione riducendo la percentuale di carbonio presente in lega.

Fasi di affinazione

Desilicizzazione: Si introducono nel bagno elementi con funzione ossidante. L'ossido di ferro con il silicio forma l'ossido di silicio che è insolubile e si raccoglie nella scoria.

Decarburazione: Avviene per opera nell'ossido di ferro che reagisce con il carbonio sottoforma di ossido di carbonio il quale si elimina per gorgogliamento.

Defosforazione: Il fosforo si raccoglie nella scoria sottoforma di fosfato di calcio ottenuto per reazione del pentossido di fosforo con la calce viva.

Desolforazione: Lo zolfo si raccoglie nella scoria sottoforma di solfuro di calcio facendo reagire il solfuro di ferro con l'ossido di calcio.

Disossidazione: L'ossido ferroso si raccoglie nella scoria ed in parte viene eliminato introducendo disossidanti ( manganese, silicio, alluminio) che presentano maggiore affinità con l'ossigeno rispetto al ferro.

Degassificazione: I gas vengono eliminati per reazione chimica con l'ossido ferroso e con l'introduzione di elementi deazoturanti.

Tutte queste operazioni vengono effettuate da sistemi computerizzati. La lega viene spillata dal forno per mezzo di siviere e viene trasportato in lingottiere.

Prodotti siderurgici

Si indica la produzione effettuata dalle aziende siderurgiche attraverso procedimenti di fusione, laminazione a caldo e a freddo. Procedimenti con cui si ottengono i prodotti siderurgici: serie di lavorazioni dell'acciaio solidificato mediante il colaggio in lingottiera, o colata continua, viene deformato plastificamene fino ad assumere la forma voluta.

Colaggio in lingottiera

Nella fase di colaggio avviene la colata dalla siviera alla lingottiera, recipienti senza fondo e don pareti spesse che contengono l'acciaio e lo solidificano raffreddandolo in forma di lingotto. Essi vengono poi inviati in reparti di laminazione per la laminazione e la sbozzatura.

Colata continua

Con questa tecnologia si ottengono i semiprodotti direttamente dall'acciaio liquido senza passare attraverso lo stivaggio e la sbozzatura. Si cola l'acciaio liquido nella siviera in una lingottiera di rame a fondo mobile. L'acciaio non rimane in lingottiera fino alla completa solidificazione, ma quando questa ha inizio, il fondo della lingottiera viene lentamente sfilato e l'acciaio discende guidato da rulli che lo levigano mentre forti spruzzi d'acqua lo raffreddano.

Caratteristiche dell'acciaio

Sono fisiche, chimiche, meccaniche e tecnologiche e variano a seconda del tenore di carbonio e dalla presenza di altri minerali in lega. Posseggono buona resistenza a sollecitazioni meccaniche e buone proprietà tecnologiche tranne per estrusione e fusione.

Classificazione acciai

Gli acciai si dividono in 2 gruppi, nel primo sono classificati in base alle caratteristiche meccaniche (carico di rottura e snervamento) o in base ai loro impieghi (caratteristiche tecnologiche); nel secondo gruppo in base alla composizione chimica. La designazione comprende il simbolo Fe (abbinata alla lettera G per produzione per getti) seguita dal carico minimo di rottura o snervamento (N/mm^2). Se preceduto dal carico di snervamento c'è la lettera E.

Esempio: Fe 430 UNI 6683/84

Fe = acciaio primo gruppo.

430 = designato in base al carico minimo di rottura 430 N/mm^2.

UNI 6683/84 = specifica norma UNI numero 6683 dell'anno 1984.

Esempio: Fe E 430 UNI 6683/84

E = acciaio designato in base al carico minimo di snervamento.

430 = valore del carico minimo di snervamento 430 N/mm^2.

Acciai designati in base a impieghi particolari

Sono menzionati con iniziale Fe seguita da una lettera che identifica il particolare utilizzo e seguito da 2 cifre la cui prima è uno 0.

Esempio: Fe D 02

Fe = acciaio del primo gruppo.

D = acciaio adatto alla deformazione a freddo.

02 = grado di attitudine alla deformazione a freddo relativo al carico minimo di snervamento.

Particolari tipi di lavorazione:

V = per applicazioni magnetiche.

P = attitudine all'imbutitura..

B = acciaio impiegato per il cemento armato.
G = acciaio particolare per la produzione di getti.

Acciai designati in base alla composizione chimica

Acciai non legati

Sono acciai che non contengono altri elementi in lega oltre a ferro e carbonio (o solo impurità) il simbolo iniziale è C che può essere seguito da una G (getti), seguiti da un numero che indica la percentuale di carbonio (occorre dividere questo numero per 100).

Esempio C 18 UNI 7846/78.

C = acciaio del secondo gruppo.

18 = tenore di carbonio in lega 18/100 = 0,18%

UNI 7846 = numero normativa.

1978= anno.

Acciai debolmente legati

Sono acciai che contengono in lega oltre a Fe e C altri elementi chimici in percentuale minore del 5%, la percentuale di carbonio si ottiene sempre dividendo per 100.

Esempio: 30 Cr Al Mo 6 12 10

30 = tenore di carbonio (secondo gruppo) 30/100 = 0,3%.

Cr6 = presenza cromo in lega.

La percentuale si definisce dividendo il valore 6 con il numero 4. 6/4 = 1,5%.

Al12 = presenza dell'alluminio in lega.

La percentuale si definisce dividendo il valore 12 con il numero 10. 12/10 = 1,2%.

Mo10 = presenza di molibdeno in lega.

La percentuale si definisce dividendo il valore 10 con il numero 10. 10/10 = 1%.

Fattori di divisione per acciai debolmente legati

Acciai legati

Sono acciai che contengono altri elementi chimici in lega oltre a Fe e C, dei quali almeno uno in percentuale = o superiore al 5%.

Si definiscono con una X iniziale seguita spesso da una G (acciai per getti) poi c'è un numero che indica la percentuale di C moltiplicata per 100, poi seguono i simboli chimici degli elementi in lega.

Le percentuali sono sempre indicate con 2 cifre, i valori inferiori a 10 si scrivono col prefisso O.

Esempio: X 15 Cr Ni Mo 12 08 05 UNI 6920/71

X = acciaio del secondo gruppo.

15 = tenore di C in lega 15/100 = 0,15%.

Cr12 = cromo a 12%.

Ni08 = nichel all'8%.

Mo05 = molibdeno al 5%.

UNI 6920 = numero normativa.

1971 = anno.

Produzione degli acciai

I prodotti dell'acciaio si costruiscono per lavorazione ad asportazione di truciolo, stampaggio, piegatura e saldatura. Questi prodotti si prestano a tutte le lavorazioni in genere, tranne all'estrusione. A seconda del tenore di C contenuto in lega e alla presenza di elementi legati è possibile ricavare il tipo di acciaio, adatto ad un tipo di lavorazione. Sul mercato l'acciaio è messo sottoforma di lamiere in rulli, fogli di diverso spessore o barre in profilati e tubi. Con le lamiere si realizzano carrozzerie di autovetture, elettrodomestici e pentole. Con i profilati si costruiscono tralicci, ponti, torri ed essi vengono assemblati con bulloni o chiodi. Con le barre si realizzano componenti industriali mediante lavorazione per asportazione di truciolo.

Utilizzazione degli acciai

L'acciaio è impiegato nel mondo per migliaia di utilizzi e migliaia di applicazioni; come sedie, banchi, recinzioni, cancelli ed anche per costruire i guardrail.

Il rame

E' un metallo che si ricava dalla calcopirite, dalla calcosina o dalla cuprite. Oppure si trova allo stato puro sottoforma di rame nativo. La produzione con Cu al 99% avviene attraverso la fusione del minerale con l'aggiunta di reagenti chimici in modo successivo, finché il rame diventa molto affinato (99,7%- 99,9%). Il resto è costituito da ossigeno; resiste alla corrosione e rimane inalterato nel tempo. Può essere anche riutilizzato.

Trattamento del minerale

Fasi:

Estrazione del minerale;

Setacciatura;

Frantumazione;

Macinatura;

Setacciatura meccanica;

Arricchimento per flottazione;

Decantazione;

Filtraggio e asciugatura.

Lavorazione e affinaggio

Il minerale viene messo in un forno, forno a riverbero. Qui il tenore del rame è del 40%-50%.

Il materiale viene immesso nel convertitore dove viene eliminato lo zolfo e si solidifica il ferro.

Dal convertitore, nella fase successiva, viene messo in un contenitore aperto dove prende il nome di rame Blist il tenore di rame diventa dal 98% al 99,5%.

Viene immesso in una caldaia dove con l'introduzione e la bruciatura di legna verde avviene l'affinaggio termico, in cui viene tolto lo zolfo.

Tolto da questa fase; il rame con un tenore del 99,9% il rame viene lavorato per essere immesso sul mercato.

Ripartendo dal punto 2. Colata degli anodi. Si fa colare sugli anodi e si ottiene un tenore dal 98% al 99,5%.

Si fa l'affinazione elettrolitica e si ottiene il rame elettrolitico.

Raffreddamento dei catodi all'aria, tenore di rame al 99,9%.

Raffreddamento dei catodi in atmosfera protetta, tenore di rame dal 99,5% al 99,9%.

Si ottiene il catodo.

Caratteristiche del rame

Ha una buone malleabilità e duttilità può essere ben lavorato a freddo e ha un'ottima conducibilità elettrica. Molto utilizzato in elettronica ed elettrotecnica.

Produzione del rame

In commercio si trova sottoforma di fili, cavi intrecciati e tondini, laminato in fogli o rotoli (per l'industria meccanica) e trafilato in tubi per l'impiantistica.

Utilizzo del rame e delle sue leghe

In elettronica viene impiegato sottoforma di tondini, fili e trecce per costruire avvolgimenti di motore, trasformatori e apparecchiature elettriche in genere.

Nell'impiantistica utilizzato sottoforma di tubi per realizzare impianti di riscaldamento e tubazioni di acqua calda.

Nell'industria automobilistica per costruire radiatori per il raffreddamento del motore, per circuiti lubrificanti e di condizionamento.

Nell'industria edile per coperture in sostituzione delle tegole, e per coprire cupole e tetti spioventi, resiste alla corrosione formando uno strato superficiale do ossido che preserva gli starti sottostanti.

Nell'industria chimica grazie alla buona conducibilità termica e resistenza a corrosione viene impiegato per costruire condutture, caldaie e distillatori.

Bronzo

Lega metallica di rame (Cu) e stagno (Sn) miscelati in varie percentuali. Il colore varia da rosso rame (con Sn meno del 5%), giallo oro (con Sn dal 5% al 10%), giallo chiaro (con Sn dal 10% al 25%), bianco (con Sn più del 25%). Nell'industria meccanica si usano bronzi con Sn dal 6% al 16%.

I bronzi a basso tenore di stagno (Sn tra il6% e l'8%) vengono classificati per impiego in lavorazioni plastiche (piegatura, trafilatura).

I bronzi con tenore di stagno dall'8% al 20% vengono impiegati per lavorazioni di fusione (in getti) e sono utilizzati nella costruzione di valvole e rubinetti. In particolare tipo di bronzo con stagno dal 20% al 30% viene utilizzato per costruire campane. Il bronzo è più duro e resistente del rame.

Si classifica in:

Bronzo comune: è soltanto legato al rame e allo stagno.

Bronzo speciale: lega di rame e stagno + altri elementi che migliorano le caratteristiche meccaniche e tecnologiche.

Quando lo stagno è sostituito in parte da altri metalli (eccetto lo zinco) si hanno bronzi speciali, quali: bronzo allo stagno, al nichel, al ferro, all'alluminio e al fosforo.

In commercio si trova sottoforma di pani, barre, lastre, nastri, fili ecc.

Denominazioni commerciali

Bronzo navale, per rubinetteria, per ingranaggi, per cuscinetti a frizione, per campane.

Bronzi speciali

Bronzi al cadmio: è utilizzato per conduttori elettrici.

Bronzi al cobalto: molto resistenti a corrosione.

Bronzi al manganese: con Mn minore o uguale al 30%. Unitamente ad Ni, Al, Fe, Si. Utilizzato per resistori elettrici.

Bronzo al piombo: utilizzato per la costruzione di cuscinetti molto sollecitati.

Bronzi al silicio: resiste sia a sollecitazioni che a corrosione.

Bronzo all'alluminio: con Al max al 14% utilizzato nell'industria chimica ed elettrotecnica. Utilizzai per ingranaggi, eliche, valvole.

Esempio:

G Cu Sn20

Bronzo col 20% di stagno utilizzato per costruire campane e monete.

G Cu Sn14

Bronzo col 14% di stagno, utilizzato per produrre cuscinetti a strisciamento detti bronzine e ruote dentate.

G Cu Sn10

Bronzo col 10% di stagno adatti ad essere facilmente lavorati con macchine utensili.

P Cu Sn8

Bronzo con l'8% di stagno adatto a lavorazioni plastiche a freddo, resiste a corrosione.

Cupralluminio

Lega di rame e alluminio max 12% di Al. Molto resistente a corrosione e a sollecitazioni meccaniche, usato per produrre stampi delle materie plastiche, tubazioni, pompe.

Alpacca

Lega di rame, zinco e nichel. Fino al 30% di nichel e il 20% di zinco. Si producono chiavi, parti di macchine fotografiche e contatti elettrici.

Classificazione dei bronzi

Da norma UNI 4244/70 e 4855/78.

Esempio:

P-CuSn6

P =identifica l'uso tecnologico della lega: per uso plastico   Cu =rame Sn 6= stagno al 6%

G-CuSn14

G = prodotto per getti   Cu =rame Sn =stagno al 14%

G-Cu Sn8 Zn3

G =bronzo prodotto per getti Cu =rame Sn 8= stagno all' 8% Zn 3= zinco al 3%

Ottone

Lega metallica costituita da Cu e Zn con Zn minore o uguale al 50%, ma possono contenere anche altri metalli in lega.

COLORI: rosso rame a basso tenore di zinco, giallo oro freddo ad alto tenore di zinco, giallo oro caldo ad un medio tenore di zinco.

L''ottone che contiene il 67% di rame si chiama TOMBACCO ( ottone rosso ) o similoro.

L'ottone si ottiene per fusione e successivo raffreddamento di Cu,Zn, Pb ed eventuali tracce di Sn.

L'ottone viene aggiunto per migliorare la piallabilità e quindi la lavorazione con macchine.

In commercio gli ottoni si trovano sotto forma di pani,getti, lastre, lamiere, nastri, tubi, fili e molle.

Denominazioni commerciali

Ottone per bossoli di artiglieria , per imbutitura, per lamiere, per lastre, per tubi, per saldature dolci.

Gli ottoni speciali sono ottenuti aggiungendo metalli additivi in percentuali non molto elevate per migliorarne le caratteristiche meccaniche. Per gli ottoni speciali si usano denominazioni del tipo: ottone per eliche marine, delta, Muntz. La lega ammiraglio ha Cu 70%, Sn 1%, Zn il resto, resiste a corrosione ed è usata per condensatori navali.

Ottone dell'alluminio Cu 76%, Al 2%, Zn il resto, resiste a corrosioni ed erosioni, è usato per condensatori sottoposti a forte corrosione.

Ottone al piombo Cu tra 56% e 61%, Pb 1,5%, Fe 0,5%, Mn 1,5%, Zn il resto, è molto usato per lavorazioni con macchine automatiche per parti stampate a caldo.

L'ottone viene impiegato per costruire strumenti musicali a fiato: trombe, tromboni, sassofoni e per costruire bossoli (proiettili), maniglie, portasciugamani ed altri elementi decorativi, ha buone proprietà meccaniche e resiste a corrosione. A seconda della percentuale di Zn, gli ottoni si dividono in ottoni di tipo a (tenore di Zn fino al 33%) e ottoni ab (con tenore di zinco dal 33% al 48%).

Ottoni di prima categoria

Sono quelli preceduti dalla lettera P (lavorazione plastica), si divide in:

1) P Cu Zn 37 37% di zinco, percentuale di rame del 63%. Per tubi, barre e fili.

2) P Cu Zn 10 10% di zinco, percentuale di rame del 90%. Per tubi, barre e fili.

Ottoni di seconda categoria

Preceduti dalla lettera G (getti o pani). Si divide in:

1) G Cu Zn 40 40% di zinco, percentuale di rame del 60%. Per rubinetteria e getti navali.

2) G Cu Zn 36  36% di zinco, percentuale di rame del 64%. Per rubinetteria e getti navali.

Classificazione degli ottoni

Da norma UNI 6898/71

Esempio: P-Cu Zn 36

Ottone con impegno in lavorazioni plastiche. Zn=36% Cu=64%.

G-Cu Zn 30 Pb 4

Ottone speciale per impiego in getto.  Zn=30% Pb=4%