I METALLI

Gli elementi che si trovano in natura si dividono in metalli, non metalli e semimetalli.

I metalli sono solidi a temperatura ordinaria (eccetto il mercurio, che è liquido); hanno un aspetto lucente; sono buoni conduttori di calore e di elettricità; sono duttili e malleabili (possono, cioè, essere ridotti in fili e lamine sottili). Gli elementi metallici sono molto numerosi (più di 80).

I non metalli sono cattivi conduttori di calore e di elettricità; possono essere gassosi (idrogeno, fluoro, ossigeno…), liquidi (bromo…), solidi (carbonio, zolfo, fosforo…); non sono né duttili né malleabili.

I semimetalli sono un gruppo limitato di elementi che hanno un comportamento metallico e non metallico insieme (silicio, germanio…).

I metalli sono distribuiti in modo molto diseguale sulla Terra, e raramente si trovano allo stato libero, ma quasi sempre sono in combinazione con altri elementi a formare i minerali. L’insieme delle tecniche e dei procedimenti per l’estrazione dei metalli dai loro minerali costituisce la metallurgia. La metallurgia del ferro, che ha un’importanza particolare, si chiama siderurgia.

Proprietà dei metalli

Ogni materiale metallico ha proprietà specifiche che lo distinguono dagli altri. Tutte le proprietà possono essere suddivise in tre categorie: fisiche/chimiche; meccaniche; tecnologiche.

Proprietà fisiche/chimiche

Si riferiscono alla natura del materiale, e sono quindi insite nel materiale stesso.

Massa volumica. E’ il rapporto tra la massa di un corpo (misurata in Kg) e il suo volume (misurato in dmc). Sono detti metalli leggeri quelli che hanno una massa volumica inferiore a 4 Kg/dmc (alluminio, magnesio…); sono metalli pesanti tutti gli altri.

Dilatazione termica. I materiali metallici subiscono un aumento di volume quando vengono riscaldati. Ogni metallo ha un coefficiente di dilatazione termica diverso dall’altro.

Temperatura di fusione. Ogni metallo ha un suo caratteristico punto di fusione che determina la temperatura in cui si ha il passaggio dallo stato solido allo stato liquido (Es. stagno 232°C, oro 1063°C)

Conduttività termica. È la proprietà dei metalli di trasmettere calore (l’argento, il rame, l’oro e l’alluminio sono i migliori conduttori di calore).

Conduttività elettrica. È la proprietà dei metalli di trasmettere la corrente elettrica (i migliori conduttori sono l’argento, il rame e l’alluminio).

Resistenza alla corrosione. È la proprietà di resistere al deterioramento superficiale causato da reazioni chimiche (come ad esempio la ruggine del ferro).

Proprietà meccaniche

Si riferiscono alla capacità dei materiali di resistere all’azione di forze esterne che tendono a deformarli.

Resistenza alla trazione. Un corpo è sollecitato a trazione quando una forza applicata tende ad allungarlo.

Resistenza alla compressione. Un corpo è sollecitato a compressione quando la forza applicata tende ad accorciarlo.

Resistenza alla flessione. Un corpo è sollecitato a flessione quando le forze applicate perpendicolarmente al suo asse tendono a curvarlo.

Resistenza a torsione. Un corpo è sollecitato a torsione quando le forze applicate tendono a torcere la sue fibre.

Resistenza al taglio. Un corpo è sollecitato al taglio quando le forze applicate tendono a far scorrere l’uno sull’altro due piani vicini.

Resistenza alla fatica. È la resistenza dei materiali a sforzi variabili e ripetuti nel tempo (es.: l’accorciamento e l’allungamento di una molla ripetuto per migliaia di volte).

Durezza. È la resistenza che un materiale oppone alla penetrazione di una punta.

 

Proprietà tecnologiche

Si riferiscono all’attitudine dei materiali a subire lavorazioni di vario genere.

Fusibilità. È l’attitudine di un metallo a lasciarsi fondere (passare, cioè, dallo stato solido a quello liquido) generando pezzi sani e compatti, senza difetti e alterazioni.

Malleabilità. È l’attitudine dei metalli a farsi ridurre in lamine sottili.

Duttilità. È l’attitudine dei metalli a farsi ridurre in fili sottili.

Saldabilità. È la proprietà dei metalli di unirsi fra di loro in unico pezzo per mezzo di saldatura.

Temprabilità. È l’attitudine dei materiali ad aumentare la propria durezza se scaldati e repentinamente raffreddati.

Lavorazione dei metalli

Per  la loro lavorazione i metalli possono trovarsi in tre diversi stati, a secondo della loro consistenza.

Possono essere lavorati allo stato solido (quindi così come sono per natura.

Altrimenti possono essere lavorati allo stato liquido (quindi dopo aver subito una fusione).

Oppure possono essere lavorati in uno stato intermedio tra il solido e il liquido, uno stato in cui il metallo viene ammorbidito ma non fuso (si pensi, ad esempio, alla consistenza della plastilina…): tale stato si dice plastico.

I tipi di lavorazione dei metalli si possono classificare in 4 categorie. 
-   Lavori di fonderia (stato liquido)
- Lavorazioni per deformazione plastica (stato plastico)
- Lavori di saldatura (stato solido)

- Lavorazioni con macchine utensili (stato solido)  

1) Lavori di fonderia

 Si eseguono con i metalli (spesso leghe metalliche) allo stato liquido. I metalli fusi vengono colati in forme entro le quali si solidificano per poi essere estratti.

I lavori di fonderia prevedono quindi prima la costruzione di un modello tridimensionale della stessa forma e dimensione dell’oggetto che si vuole ottenere, solitamente in gesso, creta, legno o resina.

Quindi, dal modello, viene creata la forma, un’impronta in negativo del modello, dentro la quale verrà colato il metallo liquido.

Infine si procede alla colata del liquido e quindi, dopo la solidificazione, all’estrazione dell’oggetto metallico finito. Successivamente, se necessario, i pezzi estratti possono essere rifiniti e limati.

2) Lavorazioni per deformazione plastica

Le principali lavorazioni plastiche sono:

Laminazione: è l’operazione con la quale il materiale metallico, costretto a passare tra due cilindri rotanti in senso inverso l’uno rispetto all’altro, viene ridotto in lamine sottili. Sfrutta la proprietà tecnologica dei metalli nota come “malleabilità”.

 

Trafilatura: è un processo di lavorazione che consiste nel far passare una barra di una certa sezione attraverso un foro di sezione più piccola. Con questa operazione è possibile ottenere fili sottili, sfruttando la proprietà tecnologica dei metalli nota come “duttilità”.

Estrusione: è un processo di lavorazione che consiste nel forzare il materiale metallico attraverso un’apertura (matrice) di forma determinata. Il materiale assume quindi la forma della matrice, di lunghezza variabile.

 

Fucinatura: è un processo che consiste nel portare il metallo allo stato rovente per poi deformarlo a colpi di maglio, martello o presse.

Stampaggio:  è un processo che prevede il riempimento di una forma con il metallo ancora allo stato plastico. È simile al lavoro di fonderia con la differenza che la forma non viene riempita dal metallo liquido ma dal metallo, appunto, allo stato plastico.

 

Imbutitura: è un processo tecnologico attraverso il quale una lamiera viene deformata plasticamente ed assume una forma scatolare, cilindrica o a coppa. Serve per creare oggetti cavi all’interno.

3) Lavori di saldatura

La saldatura è un’operazione con la quale si uniscono saldamente tra loro due pezzi metallici mediante l’azione del calore, con o senza l’aggiunta di un altro materiale (materiale d’apporto).

I principali procedimenti di saldatura sono:

Saldatura per fusione a gas: viene fatta con l’impiego di speciali cannelli che producono una fiamma caldissima. Sui pezzi da collegare si fa colare il metallo di una bacchetta d’apporto.

Saldatura elettrica ad arco: in questo tipo di saldatura il calore necessario per portare a fusione le parti è fornito dall’energia termica posseduta da un arco elettrico.

 

Saldatura elettrica per pressione e resistenza elettrica: il riscaldamento è dovuto al passaggio di una corrente elettrica. Nel punto di contatto le parti diventano pastose e per effetto della pressione esercitata si uniscono saldamente. Questo tipo di saldatura è molto usato per unire per punti le lamiere.

4)Lavorazioni con macchine utensili

Le macchine utensili trasformano un pezzo grezzo o semilavorato in un prodotto finito, asportando il metallo sotto forma di truciolo, per mezzo di un utensile.

Fra le principali lavorazioni ci sono:

Tornitura: il pezzo da lavorare viene fatto ruotare contro la lama del tornio, che si muove invece in modo lineare, asportando trucioli (lavorazione per ottenere le viti…)

 

Foratura: ottenuta per mezzo di un trapano.

 

Fresatura: viene asportato del metallo all’interno del pezzo di partenza fino ad ottenere la forma voluta. Per poter realizzare il pezzo finito è necessario che questo possa essere inscritto nel pezzo di partenza da cui verrà asportato il sovrametallo.

 

Piallatura: vengono asportati sottili strati superficiali del pezzo metallico lavorato (si pensi alla piallatura del legno…)

 

Alesatura: è un’operazione di finitura della foratura e permette di allargare la dimensione dei fori già ottenuti col trapano per portarli alla dimensione desiderata.

LA GHISA E L'ACCIAIO

La ghisa e l’acciaio non sono metalli, ma leghe metalliche.

Una lega metallica è una particolare intima unione tra due o più metalli (es.: Rame+Stagno=Bronzo), o tra metalli e non metalli (es.: Ferro+Carbonio=Ghisa/Acciaio).

Come detto, quindi, sia la ghisa che l’acciaio sono una lega metallica costituita da Ferro (metallo) e Carbonio (non metallo). La differenza tra i due materiali sta nella quantità di carbonio, calcolata in percentuale, presente nella lega:

Ghisa: 2% < carbonio < 4%

Acciaio: carbonio < 2%

La produzione

L’estrazione del ferro dai suoi minerali viene fatta nell’altoforno.

L’altoforno è una torre formata da due tronchi di cono, riuniti con le basi maggiori. La parte superiore si chiama “tino”, quella mediana “ventre”, quella inferiore “sacca”. Può misurare fino ad 80 metri di altezza.

Nella parte superiore dell’altoforno vi è la bocca di carico, attraverso cui si introducono, a strati alterni, il minerale di ferro, il combustibile e il fondente. L’altoforno viene alimentato, contemporaneamente, dal basso attraverso l’iniezione di aria calda.

Il minerale (introdotto sotto forma di ossido) contiene il ferro che si deve estrarre, insieme ad altri elementi che andranno scartati.

Il combustibile impiegato è il coke metallurgico. Il coke contiene anche il carbonio che, liberato, si lega al ferro, nel ventre dell’altoforno. La combustione del coke avviene nella sacca, dove si raggiunge la temperatura massima di 1500°/1900°.

Il fondente ha il compito di combinarsi con la ganga (cioè le sostanze di scarto del minerale di ferro) ed essere espulso sotto forma di loppa (fondente+ganga).

Nella parte bassa dell’altoforno vengono espulsi la loppa (utilizzata, ad esempio, nella produzione di cemento a presa rapida) e la ghisa greggia (che, una volta rifusa, con l’aggiunta di altri rottami di ghisa, diventa ghisa vera e propria).

Se la ghisa greggia viene ulteriormente raffinata, si arriva alla produzione dell’acciaio.

Alla ghisa greggia vengono aggiunti rottami di ferro, in modo da poter diminuire, in percentuale, la quantità di carbonio presente. Tale procedimento avviene in forni, che possono essere di due tipi: forni elettrici o convertitori LD. In entrambi i casi si ottiene acciaio liquido che può essere colato in lingottiere o ridotto in lamine attraverso una colata continua.

Se all’acciaio fuso vengono aggiunti cromo e nichel si ottiene l’acciaio inossidabile.

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