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Cosa sono i metalli? - Classificazione dei metalli

tecnologia




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Cosa sono i metalli?


I metalli sono elementi chimici che hanno alcune preprietà in comune.

A temperatura ambiente, tutti i metalli, tranne il mercurio che è liquido, sono solidi cristallini costituiti da ioni positivi.



Classificazione dei metalli


Ragioni pratiche hanno portato a raggruppare i metalli in vari gruppi i cui componenti  hanno in comune particolari proprietà.

La classificazione, dovuta a Thenard, è basata sulle azioni dell'ossigeno e dell'acqua.






METALLI


metalli monovalenti che decompongono l'acqua a freddo e che danno ossidi solfuri e carbonati solubili.

metalli bivalenti che decompongono l'acqua a freddo e che danno carbonati insolubili.

metalli che decompongono l'acqua all'ebollizione, e il cui ossido non è riducibile a metallo da parte dell'idrogeno

metalli che decompongono il vapore acqueo al rosso, attraverso una reazione reversibile.

metalli ossidabili al rosso, ma che non decompongono il vapore acqueo,i cui ossidi non liberano il metallo per calcinazione.

metalli i cui ossidi si dissociano per riscaldamento, liberando il metallo.

metalli che non reagiscono con l'ossigeno.





Le proprietà dei metalli


Organization ChartOrganization Chart



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La Metallurgia




La metallurgia è l'insieme di tecniche di estrazione dei metalli dai loro minerali, per ricavarne semilavorati e prodotti finiti.

La metallurgia si divide in metallurgia estrattiva e fisica:


Metallurgia estrattiva

Si occupa dell'insieme di procedimenti tecnologici che portano dal minerale al metallo puro.

I principali passaggi sono:

Prosperazione mineraria

Coltivazione della miniera

Trattamenti preliminari

Arricchimento del minerale

Estrazione del metallo


Metallurgia fisica

Studia l'intima struttura dei materiali metallici (metalli e loro leghe) per individuare i trattamenti utili a migliorarne la qualità. Fanno parte di essa lo studio della solidificazione e della fusione dei metalli e delle leghe, della loro struttura cristallina, dei difetti reticolari, delle caratteristiche elettriche ed elettroniche, delle trasformazioni di fase. In particolare, la m. fisica si avvale dell'ausilio delle tecniche di indagine che si ricollegano alla metallografia.

I principali passaggi sono:

Formatura

Trattamenti Termici


















La siderurgia


La siderurgia è un settore della metallurgia che si occupa dell'estrazione del ferro dai suoi minerali, della tecnologia di fabbricazione delle leghe ferro-carbonio, cioè della ghisa e dell'acciaio, e delle loro lavorazioni primarie (quali la laminazione, la fucinatura e la trafilatura). La siderurgia costituisce un fondamentale settore industriale che alimenta numerosi altri settori di rilevante importanza (per esempio, meccanico, automobilistico, cantieristico). Le attività siderurgiche tendono a concentrarsi in pochi stabilimenti di grandi dimensioni nei quali si attuano le numerose fasi del ciclo produttivo (e perciò sono detti a ciclo integrale).

Impianto siderurgico impegnato nella fabbricazione di ghisa e acciaio e delle loro lavorazioni quali la laminazione, la fucinatura e la trafilatura.

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La ghisa

Lega di ferro contenente carbonio sino a circa il 2%. Le proprietà degli acciai dipendono strettamente dalla composizione chimica del materiale (percentuale di carbonio e percentuale e natura degli elementi aggiunti).

La  produzione mondiale di ghisa e ferroleghe era a metà degli anni Novanta di circa 539 milioni di t; i maggiori paesi produttori sono la Cina (115 milioni di t), il Giappone (74,9 milioni di t), gli Stati Uniti (49,5 milioni di t), la Russia (34,8 milioni di t), la Germania (30,1 milioni di t), il Brasile (25,1 milioni di t). L'Italia raggiunge mediamente gli 11 milioni di t


L'acciaio

Denominazione delle leghe ferro-carbonio il cui contenuto di carbonio è compreso tra il 2 e il 4%. Le ghise vengono prodotte quasi esclusivamente negli altiforni e possono essere destinate alla trasformazione in acciaio o a usi di fonderia per la produzione di getti.

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tubi utensili apparecchiature fabbricazione industrie

da taglio idrauliche di utensili meccaniche

fili

cilindri rubinetterie

profilati di laminatoi

strumenti

tondini            macchine scientifici




lamiere                                                              posaterie


chiodi                                                               pentole




In primo piano i cavi d'acciaio del Golden Gate Bridge a San Francisco in California


Il centro siderurgico


Il centro siderurgico è un complesso industriale dove le materie prime vengono trasformate in semilavorati di acciaio.


Il centro siderurgico è solitamente situato sulla costa per poter permettere alle imbarcazioni che trasportano le merci di giungervi senza difficoltà

Le acciaierie Thyssen i Germania



Il primo prodotto è la GHISA

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La trasformazione di questo minerale avviene nell' altoforno: forno a tino usato per la riduzione di minerali per cui sia richiesta elevata temperatura.




Altoforno di un'industria siderurgica argentina. IGDA/V.



Impianti di un'acciaieria. IGDA/A.


PRODUZIONE DELLA GHISA


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PRODUZIONE DELL'ACCIAIO


La trasformazione di questo materiale avviene nel convertitore ad ossigeno:un grosso contenitore in cui una lancia soffia ossigeno nel metallo liquido e brucia il carbonio.

Per ottenere acciai la trasformazione avviene in enormi forni elettrici


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Migliorare le caratteristiche meccaniche e tecnologiche dell'acciaio:

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METALLI NON FERROSI


Alluminio:

È uno degli elementi più diffusi della litosfera, presente in forma di silicati e di ossidi in molti minerali della crosta terrestre, della quale costituisce circa l'8% in peso; non è stato mai trovato allo stato "nativo".

L'alluminio puro è un metallo dal caratteristico colore bianco argenteo, molto leggero (d=2,70); fonde a 660,2 ºC e bolle a 2056 ºC.

Impianto per la produzione dell'alluminio in Ghana                    Sala per la produzione elettrolitica di alluminio fuso

Argento:

Metallo prezioso, bianco e lucente, usato nella coniazione di monete, per fabbricare oggetti ornamentali, posaterie, vasellame e in varie applicazioni tecniche.

Un calice d'argento del 1637 di Cosimo Merlini (Luco di Mugello, chiesa di S.Pietro).

Manganese:

Il manganese non si rinviene allo stato nativo, ma è molto diffuso nelle rocce, rappresentando infatti lo 0,085% in peso della crosta terrestre; i minerali più importanti sono la pirolusite, la manganite, la braunite e l'hausmannite.

Nichel:

Il nichel puro e compatto è un metallo dal caratteristico colore grigio chiaro, assai lucente dopo politura, magnetico, anche se meno del ferro (punto di Curie 353 ºC), di peso specifico 8,90 e con punto di fusione a 1453 ºC. Presenta caratteristiche meccaniche simili a quelle degli acciai dolci (resistenza a trazione variabile da 40 a 100 kg/mm2 secondo il grado di incrudimento), ha buone caratteristiche di saldabilità e di lavorabilità per deformazione plastica sia a caldo sia a freddo sia alle macchine utensili; offre inoltre ottima resistenza agli agenti atmosferici e alle soluzioni alcaline dovuta soprattutto a fenomeni di passivazione.



Tassellatura formata da atomi di nichel. Una foto storica: la scritta IBM realizzata con un microscopio

a effetto tunnel con atomi di xeno su una superficie di nichel

Piombo:

E' un metallo di colore grigio. E' raro allo stato nativo e scarseggiante nei composti minerali. E' morbido e per questo ha poca resistenza meccanica. E' molto malleabile e duttile e si lavora e si scalda con facilità. Il piombo è molto nocivo per l'uomo e provoca gravi malattie.

E' utilizzato nell'industria elettrica, chimica, del vetro e della ceramica. Grazie alla sua "impermeabilità alle radiazioni" trova impiego in radiologia e nell'industria nucleare.

La prima zuppa artificiale di quark: piccolo big bang creato nei laboratori del CERN e originato da un fascio di ioni di piombo sparati ad altissima energia contro un nucleo di piombo.


Plasma di quark prodotto nei laboratori del CERN dall'urto centrale di ioni piombo ad altissima energia contro nuclei di piombo

Rame:

Il rame è un metallo conosciuto da tempi antichissimi, prima ancora del ferro. Si trova spesso allo stato elementare e alcuni suoi minerali sono ossidi riducibili. Il rame metallico ha un caratteristico colore rosa-salmone, è assai meno duro del ferro, ma molto duttile e malleabile. È ottimo conduttore del calore e dell'elettricità. All'aria secca si ricopre lentamente di un sottile strato di solfuro nero e all'aria umida di una patina di carbonato basico di colore verde (verderame), che lo protegge da ulteriore alterazione.

Rame nativo Una fonderia a Chuquicamata, nel Cile. Nei pressi della città,

nella regione di Antofagasta, si trova uno dei più grandi

giacimenti di rame del mondo. L'enorme miniera è a cielo aperto



Stagno:

Conosciuto fin dai tempi antichi, veniva estratto da minerali delle isole Cassiteriti (attuale Cornovaglia). I minerali più importanti sono appunto la cassiterite e la stannite. È un metallo noto in due forme allotropiche: forma bianca, stabile a temperature superiori a 13,2 °C, e grigia o pulverulenta

Una miniera di stagno in Bolivia

Zinco:

La crosta terrestre contiene in media appena lo.0,005% di zinco, in buona parte concentrato in giacimenti relativamente ricchi. Nel sistema periodico degli elementi chimici lo Zn appartiene al gruppo IIb; allo stato elementare il suo guscio più esterno contiene due elettroni 4s e dieci 3d.



LA LAVORAZIONE DEI METALLI



Dopo che dai minerali si sono ottenuti metalli e leghe metalliche sotto forme di pani o lingotti questi sono trasformati prima in SEMILAVORATI e poi in PRODOTTI FINITI, attraverso varie fasi di lavoro.


PRODUZIONE DEI SEMILAVORATI


fusione




sinterizzazione




deformazione plastica



La FUSIONE: viene colato il metallo fuso in uno stampo ottenendo in questo modo un numero smisurato di pezzi assolutamente identici.

Per l'alluminio e le sue leghe il metallo fuso non viene colato ma iniettato nello stampo: pressofusione.

Le lavorazioni in fonderia si dividono in:


preparazione del modello

preparazione della forma

fusione e colata

finitura


La SINTERIZZAZIONE: si comprime un agglomerato di polvere di metallo ad alta temperatura all'interno di uno stampo. Il vantaggio è che si possono ottenere forme molto complesse.


La DEFORMAZIONE PLASTICA: sono trattamenti che utilizzano la plasticità dei metalli. Sono:


stampaggio o fucinatura: consiste nel forgiare il metallo comprimendolo con presse o battendolo con colpi di maglio tra uno stampo fisso e un controstampo mobile che scende dall'alto.        Questo viene usato per pezzi di grosso spessore, invece per pezzi piccoli si esegue lo stampaggio a freddo.


Imbutitura: consiste nel forgiare a freddo pezzi di lamiera metallica. Può essere eseguita a mano o con metodi industriali.


Estrusione e trafilatura: il materiale allo stato plastico viene forzato attraverso aperture sagomate. Estrusione: il metallo viene spinto per mezzo di una matrice. Trafilatura: viene tirato con una trafila dotata di fori calibrati.


Laminazione: è basata sulla malleabilità dei metalli. Si può eseguire sia a caldo che a freddo. Il materiale passa attraverso numerose coppie di cilindri: "treno di laminazione".




LAVORAZIONI PER IL PRODOTTO FINITO



lavorazione al banco o aggiustaggio: consiste nel rifinire i pezzi con vari utensili.

lavorazione con le macchine utensili





rettifica

tornitura


piallatura fresatura foratura alesatura



taglio limatura


SALDATURA



E' il collegamento fra pezzi metallici a temperatura elevata. Si distinguono:


Saldatura per fusione: sui lembi da unire, riscaldati a gas (autogena). Con arco elettrico, si fa fluire metallo fuso (acetilene). Con caratteristiche simili a quelle dei metalli da unire (materiale d'apporto).


Saldatura a pressione: i pezzi vengono riscaldati fino al rammollimento, poi vengono uniti tramite forte pressione.


Brasatura: avviene adoperando materiale d'apporto con un punto di fusione inferiore in confronto a quello dei materiali da unire.
















IL RICICLAGGIO


Acciaio

L'acciaio è riciclabile ed il suo recupero in Italia ha raggiunto buoni risultati.

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I rottami vengono fusi insieme alla ghisa e l' acciaio ottenuto viene affinato

A lavorazione terminata la qualità del prodotto è elevata



Alluminio

Il riciclaggio dell'alluminio permette di risparmiare il 95% dell'energia usata per produrlo la prima volta.

L'alluminio ottenuto è chiamato secondario, ma è del tutto identico al primario.

Il riciclaggio dell'alluminio è molto importante per l' Italia, infatti il nostro paese importa dall'estero rottami di alluminio per il 50% del suo fabbisogno.

Alluminio pronto al riciclaggio


I punti di raccolta devono essere valorizzati, tenendo presente che la maggior dispersione di questo metallo si ha sottoforma di lattine e contenitori per alimenti.













Per saperne di più

Nelle pagine seguenti è riportato un articolo di giornale che spiega come i metalli potrebbero essere utilizzati grazie alla superconduttività

Gli incredibili metalli surgelati
Sfruttando il fenomeno della superconduttività la tecnologia entrerà in una nuova era. Costruiremo computer superveloci e macchine efficienti, economiche ed ecologiche. Ecco tutti i segreti di questo mistero della fisica.


di Paolo Magionami


Heike Kamerlingh Onnes 

H. K. Onnes, lo scopritore della superconduttività

La materia, a temperature sufficientemente basse, presenta comportamenti molto particolari e, per certi aspetti, non ancora del tutto ben compresi. Insieme alla condensazione di Bose Einstein e alla superfluidità, uno dei fenomeni quantistici più interessanti che possono presentarsi è quello della superconduttività nei metalli fortemente raffreddati: al di sotto di una temperatura critica specifica del metallo, la resistenza che questo offre al passaggio della corrente scompare totalmente. Sebbene sia stata scoperta all'inizio del secolo e sia noto il meccanismo alla base di questo fenomeno nei metalli, non sono ancora del tutto chiari i meccanismi che permettono la superconduttività in certe ceramiche, particolarmente interessanti per applicazioni di carattere pratico; anche se già si cominciano a vedere le prime notevoli ricadute su grande scala di apparecchiature che si basano su questi nuovi materiali superconduttori. Naturalmente il passo rivoluzionario sarebbe quello di trovare presto superconduttori a temperatura ambiente, ma questo sembra ancora fuori dalla portata delle nostre conoscenze.

LA SCOPERTA DELLA SUPERCONDUTTIVITÀ

Correva l'anno 1911 allorquando il fisico olandese Heike Kamerlingh Onnes scoprì la superconduttività. Il futuro premio Nobel si accorse che se si raffredda il mercurio al di sotto di 4.2 gradi Kelvin, ossia circa meno 269 gradi (lo zero della scala Kelvin coincide con il valore di meno 273.15 gradi centigradi) la resistenza del metallo diveniva esattamente zero. Questo significa che la corrente che passa nel metallo raffreddato non incontra alcun "ostacolo" e fluisce liberamente senza dar luogo a diminuzione di tensione o a riscaldamento.
Possiamo pensare alla corrente come a un fiume di elettroni che si spostano dentro al conduttore; nel loro moto queste particelle vengono parzialmente ostacolate dagli atomi del metallo stesso che, in questo modo, sottraggono parte dell'energia degli elettroni disperdendola sotto forma di calore.
La lampadina o la stufetta elettrica sono evidenti esempi di questo fenomeno. Ma se opportunamente raffreddati, gli atomi del metallo non ostacolano più il flusso di elettroni che, liberi di muoversi, possono circolare su un conduttore a forma di anello in eterno!
Dopo la scoperta del fisico olandese, che per questo prese il Nobel nel 1913, il fenomeno della superconduttività è stato osservato in molti altri metalli, ognuno con la propria temperatura critica, ossia quella al di sotto della quale il metallo diviene superconduttore, e con il proprio campo magnetico critico; infatti, non solo la temperatura influisce sullo stato superconduttore del metallo ma anche un campo magnetico particolarmente intenso che, essendo in grado di penetrare all'interno del superconduttore, altera lo stato di superconduzione del metallo e lo riporta allo stato di normale conduttore.
Per circa quarant'anni il meccanismo alla base di questo strano comportamento della materia è rimasto sconosciuto fino a quando tre fisici non hanno proposto un modello in grado di spiegare il fenomeno.
Tale teoria è conosciuta come BCS, dalle iniziali dei tre scienziati Bardeen, Cooper e Schrieffer che l'hanno formulata nel 1957 e per la quale sono stati insigniti del premio Nobel nel 1972.







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