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I metalli: proprietà, leghe, applicazioni
a cura di Paolo De Pasqual
Premessa
Questa breve trattazione vuole essere un aiuto per quanti volessero disporre di un compendio di facile consultazione in cui reperire le informazioni essenziali sui metalli e le loro leghe.
Poiché la metallurgia è una scienza vastissima la trattazione dei vari metalli è forzatamente sintetica e si limiterà a fornire le informazioni più rilevanti di carattere generale.
Per approfondimenti si può far riferimento ai seguenti testi di facile consultazione:
Notizie di carattere generale possono essere ricavate inoltre dai manuali tecnici per Periti Industriali, Geometri e Ingegneri:
In internet si possono reperire molte informazioni soprattutto attraverso il portale di Wikipedia (it.wikipedia.org) tuttavia si raccomanda di confrontare le pagine in italiano con quelle in inglese, molto più complete e accurate.
Tutte le fonti di informazione in rete devono essere trattate con la dovuta cautela confrontandole sempre tra di loro e con testi di provata serietà, per scartare le fonti non attendibili ed evitare di incorrere in errori spesso grossolani.
Definizioni:
Le proprietà dei metalli sono dovute la particolare tipo di legame che tiene uniti tra loro gli atomi.
I vari composti che si trovano in natura sono il risultato dell’aggregazione di atomi di vari elementi, uniti tra di loro da dei legami di tipo chimico.
Per esempio il calcare è una roccia formata dall’unione di atomi di calcio, ossigeno, carbonio: il carbonato di calcio.
Questo composto è un sale (come il sale da cucina) in cui gli atomi sono tenuti assieme in proporzioni ben precise da delle forze che li mantengono nella posizione stabilita dalle leggi della fisica atomica; il tipo di legame che si stabilisce non permette a nessun atomo o particella di spostarsi all’interno della struttura della roccia.
In un metallo, come può essere il rame, i vari atomi sono tenuti assieme da legami di tipo differente, che possono essere immaginati come una specie di “colla” di elettroni che lega tutti gli atomi.
Per fare un esempio si potrebbe immaginare una scatola piena di biglie di vetro impacchettate in modo regolare e riempita con un liquido molto viscoso tipo uno sciroppo che impedisca alle biglie di muoversi una rispetto all’altra.
Però lo sciroppo non è solido e, sebbene molto lentamente, può scorrere fra una biglia e l’altra e quindi si può avere un passaggio di sostanza attraverso la scatola.
In un metallo la “colla” di elettroni è mobile e ciò spiega perché questi elementi chimici sono dotati di una buona conducibilità elettrica e termica, ed è all’origine della tipica lucentezza detta appunto metallica.
Questa caratteristica spiega anche perché la maggior parte dei metalli è facilmente ossidabile, come avviene per il ferro a contatto dell’ossigeno atmosferico in presenza di umidità.
Elementi chimici metallici (in ordine alfabetico) n.b.: questa tabella non ha pretese di completezza
Nome |
Simbolo |
Dens. g/cm3 |
Punto di fusione |
Settori di impiego |
Alluminio |
Al |
2.70 |
660 |
VEDI IN SEGUITO |
Antimonio |
Sb |
6.62 |
630.5 |
Caratteri per stampa |
Argento |
Ag |
10.50 |
960.8 |
Gioielleria, elettrotecnica, elettronica, fotografia |
Bario |
Ba |
3.75 |
714 |
Elettronica, industria cartaria, medicina |
Bismuto |
Bi |
9.80 |
271.3 |
Meccanica, vetreria |
Cadmio |
Cd |
8.65 |
320.9 |
Meccanica, energia nucleare |
Calcio |
Ca |
1.55 |
810 |
Metallurgia ferro e alluminio, pirotecnica |
Cerio |
Ce |
6.67 |
795 |
Chimica, vetreria, pietrine per accendini |
Cesio |
Cs |
1.90 |
28.5 |
Elettronica |
Cobalto |
Co |
8.90 |
1495 |
Acciai, superleghe, magneti permanenti |
Cromo |
Cr |
7.19 |
1875 |
Acciai speciali e inossidabili, rivestimenti superficiali |
Ferro |
Fe |
7.85 |
1536 |
VEDI IN SEGUITO |
Gallio |
Ga |
5.91 |
29.8 |
Termometri per alte temperature |
Indio |
In |
7.31 |
156.2 |
Elettronica |
Iridio |
Ir |
22.50 |
2454 |
Leghe con platino e osmio |
Itterbio |
Yb |
7.01 |
824 |
Nessuno (per ora) |
Ittrio |
Y |
4.47 |
1500 |
Ceramica |
Lantanio |
La |
6.17 |
920 |
Elettronica |
Litio |
Li |
0.53 |
108.5 |
Batterie, medicinali |
Magnesio |
Mg |
1.74 |
650 |
Leghe leggere, aeronautica, pirotecnica |
Manganese |
Mn |
7.43 |
1245 |
Acciai |
Mercurio |
Hg |
13.59 |
-38.4 |
Elettrotecnica, strumentazioni, esplosivi |
Molibdeno |
Mo |
10.20 |
2610 |
Elettronica, elemento di lega negli acciai |
Nichel |
Ni |
8.90 |
1455 |
Elemento di lega negli acciai, elettrotecnica, superleghe |
Niobio |
Nb |
8.40 |
2468 |
Elemento di lega negli acciai, superconduttori |
Oro |
Au |
19.33 |
1063 |
Gioielleria, elettronica |
Osmio |
Os |
22.60 |
2700 |
Chimica |
Palladio |
Pd |
12.00 |
1552 |
Catalizzatori, gioielleria,odontoiatria |
Piombo |
Pb |
11.40 |
327.4 |
Elettrotecnica, batterie, rivestimenti |
Platino |
Pt |
21.40 |
1769 |
Catalizzatori, elettrotecnica, elettronica, gioielleria |
Potassio |
K |
0.86 |
63.65 |
Chimica, fertilizzanti, detersivi |
Rame |
Cu |
8.96 |
1083 |
Elettrotecnica, elettronica, edilizia, meccanica, leghe |
Renio |
Re |
21.00 |
3180 |
Elettronica |
Rodio |
Rh |
12.42 |
1966 |
Strumenti di misura |
Rubidio |
Rb |
1.53 |
38.89 |
Elettronica |
Rutenio |
Ru |
12.20 |
2250 |
Leghe con platino e palladio, elettronica |
Sodio |
Na |
0.97 |
97.8 |
Chimica |
Stagno |
Sn |
7.30 |
231.9 |
Leghe per saldatura, bronzi, industria alimentare |
Stronzio |
Sr |
2.60 |
757 |
Chimica |
Nome |
Simbolo |
Dens. g/cm3 |
Punto di fusione |
Settori di impiego |
Tantalio |
Ta |
16.60 |
2996 |
Strumenti chirurgici, elettronica |
Tecnezio |
Tc |
11.5 |
2200 ca |
Preparato artificialmente, radioattivo, non esiste in natura |
Titanio |
Ti |
4.51 |
1668 |
Leghe speciali, aeronautica, vernici |
Torio |
Th |
11.70 |
1750 |
Elettronica, energia nucleare |
Tungsteno |
W |
19.30 |
3410 |
Elettrotecnica, leghe speciali, elemento di lega negli acciai |
Vanadio |
V |
6.11 |
1890 |
Elemento di lega negli acciai, catalizzatore |
Zinco |
Zn |
7.14 |
419.5 |
Ottoni, rivestimenti, cosmetici |
Zirconio |
Zr |
6.49 |
1852 |
Energia nucleare |
Come si può dedurre dalla tabella, non tutti i metalli presenti in natura hanno delle applicazioni e molti le hanno solo in campi molto specialistici.
Perciò di seguito saranno trattati solo i metalli di interesse pratico, allo stato puro o come base per leghe di comune applicazione.
Nome |
Simbolo |
impieghi |
Alluminio |
Al |
Metalli impiegati principalmente allo stato puro o in lega con altri elementi |
Ferro |
Fe |
|
Rame |
Cu |
|
Magnesio |
Mg |
|
Titanio |
Ti |
|
Argento |
Ag |
|
Oro |
Au |
|
Platino |
Pt |
|
Zinco |
Zn |
|
Cromo |
Cr |
Metalli impiegati raramente allo stato puro, più frequentemente come alliganti per leghe di acciaio |
Cobalto |
Co |
|
Nichel |
Ni |
|
Manganese |
Mn |
|
Molibdeno |
Mo |
|
Tungsteno |
W |
|
Stagno |
Sn |
|
Piombo |
Pb |
Impiegato puro o in lega con lo stagno per saldature, il bismuto e l’antimonio per caratteri da stampa |
Si può notare che l’elenco si è ristretto notevolmente.
Allo stato puro l’alluminio presenta una ottima resistenza alla corrosione, ottima conducibilità elettrica e termica, unite ad una bassa resistenza alla rottura e ad una elevata plasticità.
Gli impieghi dell’alluminio puro sono i più vari, ad esempio:
Per ottenere opportune caratteristiche di resistenza meccanica, alla corrosione o di saldabilità viene impiegato in lega con altri metalli, come Magnesio, Zinco, Rame, Silicio, Titanio, ed altri di minore importanza nelle applicazioni (per ora).
Questi elementi vengono aggiunti in opportune percentuali (0.5 – 20 %) per ottenere delle leghe che trovano impiego nei settori:
In base all’impiego si hanno leghe alluminio-rame, alluminio-silicio, alluminio-magnesio, alluminio-magnesio-silicio, alluminio-zinco-rame, alluminio-titanio.
Le varie leghe di alluminio sono formulate per essere lavorate per:
Le norme UNI prevedono una designazione che tiene conto sia della composizione chimica sia dell’impiego.
La sigla è composta in questo modo:
Esempi:
E’ opportuno citare la designazione secondo le norme della Aluminum Association (USA) in quanto tale designazione è spesso adoperata anche da noi per molte leghe commerciali per lavorazione plastica.
La sigla è data da un numero di 4 cifre, così codificate:
Il primo numero indica la famiglia, i tre seguenti la lega, senza una particolare correlazione con la composizione
1xxx alluminio commercialmente puro (Al 99% minimo) e il numero indica il grado di purezza;
2xxx leghe Al – rame
3xxx leghe Al - manganese
4xxx leghe Al - silicio
5xxx leghe Al – magnesio
6xxx leghe Al – magnesio – silicio
Designazione AA |
tipo |
Corrispondenza UNI |
Nome commerciale |
1050 |
alluminio puro al 99,5% |
|
|
2014 |
Al-Cu |
P-AlCu4,4SiMnMg |
Avional 14 |
2024 |
Al-Cu |
P-AlCu4,5MgMn |
Superduralluminio |
3004 |
Al-Mn |
P-AlMn1,2Mg |
|
4032 |
Al-Si |
P-AlSiMgCu |
|
5083 |
Al-Mg |
P-AlMg4,5 |
|
6082 |
Al-Mg-Si |
P-AlSi1MgMn |
Anticorodal 11 |
7075 |
Al-Zn-Mg-Cu |
P-AlZn5,8MgCu |
Ergal 55 |
Alcune leghe si prestano ad essere trattate termicamente per ottenere un grande incremento delle caratteristiche meccaniche.
Le leghe adatte allo scopo sono:
2xxx leghe Al – rame
6xxx leghe Al – magnesio – silicio
7xxx leghe Al – zinco – magnesio - rame
I trattamenti termici applicabili sono:
Ci sono delle differenze rispetto ai trattamenti effettuabili sugli acciai. La bonifica in particolare è l’insieme di due trattamenti successivi:
L’invecchiamento può anche avvenire a temperatura ambiente per alcuni tipi di leghe, in tal caso si parla di invecchiamento naturale; richiede però tempi molto lunghi (settimane) per cui solitamente si preferisce l’invecchiamento artificiale (poche ore in forno).
Una lega trattata termicamente può essere indicata con la sigla seguita dalla lettera T e da un’altra lettera indicante le condizioni: A invecchiamento artificiale, N invecchiamento naturale. Secondo la designazione AA una lega bonificata è indicata dal suffisso T4 se l’invecchiamento è naturale, T6 se l’invecchiamento è artificiale; il suffisso F indica la lega allo stato naturale dopo la lavorazione plastica a caldo.
Esempio:
7075 T6 corrisponde a P-AlZn5,8MgCu-TA temprata e invecchiata artificialmente
La ricottura ha lo scopo di annullare eventuali trattamenti termici e favorire la lavorabilità per deformazione plastica delle leghe da trattamento termico.
Va detto che un riscaldamento a temperature superiori ai 200°C distrugge gli effetti della bonifica.
Per una ricottura completa è sufficiente un riscaldamento a temperature di 500-550°C seguito da raffreddamento lento.
La sigla è seguita dalla lettera R se la lega è fornita allo stato ricotto.
Inoltre va assolutamente evitato di surriscaldare queste leghe al di sopra dei 580°C per evitare la “bruciatura” ovvero il danneggiamento irreparabile della lega per la fusione parziale della struttura.
Una lega “bruciata” è del tutto inservibile, fragile e di scarsissima resistenza, utile solo come rottame da riciclare in fonderia!
Alcune leghe e loro caratteristiche meccaniche
Design. AA |
UNI |
Stato fisico |
Rm (MPa) |
Rp0,2 (MPa) |
A% |
Nome commerciale |
2014 |
P-AlCu4,4SiMnMg |
R |
185 |
80 |
12 |
Avional 14 |
|
|
TN |
345 |
240 |
12 |
|
|
|
TA |
410 |
370 |
7 |
|
6082 |
P-AlSi1MgMn |
R |
90 |
40 |
25 |
Anticorodal |
|
|
TN |
215 |
120 |
16 |
11 |
|
|
TA |
295 |
245 |
6 |
|
7075 |
P-AlZn5,8MgCu |
R |
185 |
90 |
9 |
Ergal 55 |
|
|
TA |
540 |
480 |
6 |
|
La resistenza alla corrosione delle leghe di alluminio è molto varialbile, è generalmente peggiore di quella dell’alluminio puro:
leghe Al-Si: cattiva più è elevato il contenuto di silicio, all’aperto in presenza di acqua si corrodono rapidamente producendo una efflorescenza biancastra;
leghe Al-Mg-Si: ottima, sono dette per l’appunto “anticorodal”
leghe Al-Mg: eccellente anche in ambiente marino, dove è migliore di quella dell’alluminio puro;
leghe Al-Cu e Al-Zn-Mg-Cu: cattiva o pessima, vanno protette dalla corrosione che può avere conseguenze disastrose, sotto forma di rotture fragili senza preavviso (corrosione a lama di coltello, corrosione intergranulare) specie su particolari soggetti a sollecitazioni elevate o di fatica.
Al contrario degli acciai, le leghe di alluminio dure (temprate e invecchiate) sono meglio lavorabili alla macchina utensile perchè il truciolo si spezza oppure fluisce senza aderire all’utensile.
Le leghe allo stato ricotto e l’alluminio puro sono difficilmente truciolabili perchè tendono ad “impastare” l’utensile. Sono necessari utensili opportuni, affilati con estrema cura e si devono impiegare lubro-refrigeranti speciali.
La velocità di taglio può superare senza problemi i 1000 m/min.
Le leghe contenenti silicio, come quelle per pistoni in cui il silicio supera il 20%, sono difficilmente lavorabili perchè il silicio forma dei cristalli molto duri che consumano rapidamente gli utensili e la finitura superficiale che si ottiene è spesso pessima.
In questo caso si ottengono eccellenti risultati con utensili aventi il tagliente in diamante policristallino, dal costo elevatissimo ma in grado di resistere perfettamente all’azione abrasiva del silicio.
Servono macchine adatte, potenti e molto stabili per garantire le elevatissime velocità di taglio richieste da questi utensili.
La saldatura delle leghe di alluminio non sempre è possibile e richiede procedimenti appositi. Sono saldabili facilmente le leghe Al-Mg, Al-Mn, Al-Mg-Si, Al-Zn-Mg a patto che non contengano rame se non in piccolissima quantità.
I procedimenti più adatti sono TIG, saldatura con elettrodi in tungsteno sotto gas protettivo inerte (argon) e MIG a filo con gas inerte (argon), mentre la saldatura con elettrodo rivestito è adatta solo per applicazioni di scarsa importanza.
Le leghe Al-Si e Al-Cu non sono saldabili perchè si ottiene un giunto di resistenza meccanica non soddisfacente e soprattutto con pessima resistenza alla corrosione che è drastica e deleteria nella zona saldata.
L’ossidazione anodica della superficie dei manufatti in lega di aluminio è una tecnica molto adatta per creare un rivestimento resistente alla corrosione, all’usura e decorativo.
Viene eseguita in apposite celle elettrolitiche, in bagni acidi mediante l’azione della corrente elettrica.
Se lo spessore è limitato (pochi millesimi di millimetro) si parla di anodizzazione decorativa, eventualmente colorabile mediante procedimenti particolari.
Spessori elevati (0,05 – 0,1 mm) sono adatti dove è richiesta una grande resistenza all’usura, ad esempio per gli steli delle forcelle di biciclette e moto.
Le leghe più adatte sono le Al-Mg-Si.
Tra le leghe dure, l’Ergal non dà sempre buoni risultati estetici con l’anodizzazione, l’Avional è inadatto in quanto il rame lo rende facilmente corrodibile.
Non ha impieghi pratici allo stato puro.
Viene adoperato sempre in lega con il carbonio, da solo o abbinato ad altri elementi, e denominato correntemente Acciaio o Ghisa
Il ferro allo stato puro si presenta come un solido grigio lucente, facilmente ossidabile.
La sua struttura cristallina, ossia la disposizione degli atomi o cella elementare, è rappresentabile con un cubo che ha a ciascun vertice un atomo di ferro e un ulteriore atomo al centro (cella Cubica a Corpo Centrato o CCC).
Una particolarità del ferro è quella di presentare, a ben precisi valori della temperatura, la traformazione della struttura elementare (trasformazione allotropica).
La struttura CCC si trasforma in una nuova struttura, in cui la cella è sempre cubica ma presenta un atomo di ferro al centro di ciascuna faccia (Cubica a Facce Centrate o CFC).
Assieme al ferro è sempre presente il carbonio, in percentuale variabile tra lo 0.02% e il 6,67%, massimo valore di esistenza delle leghe tra ferro e carbonio.
Al di sotto dello 0,02% è praticamente molto difficile scendere, in quanto il carbonio presenta una forte affinità con il ferro.
Il carbonio abbassa la temperatura di trasformazione della ferrite in austenite; al di sopra dello 0,02% di C la trasformazione inizia a 723°C per term inare ad una temperatura compresa tra 911°C e 723°C al crescere del tenore di C.
Con lo 0,8% di C si ha un eutettoide, la trasformazione avviene alla temperatura di 723°C.
Al di sopra dello 0,8% la temperatura di fine trasformazione si innalza nuovamente; con il 2,06% di C si ha l’inizio della fusione a 1147°C.
La lega Fe-C con il 4,3% di C fonde a 1147°C (eutett ico)
Per maggiori dettagli consultare i testi indicati alla voce “Diagramma Ferro-Carbonio”. Solo alcune particolari leghe presentano tenori di carbonio bassissimi.
Se il carbonio è contenuto in percentuale inferiore al 2,06% la lega è denominata acciaio. Il carbonio è in piccola parte presente negli interstizi della cella CCC e per il resto forma un composto con il ferro (detto cementite Fe3C) i cui cristalli sono interposti tra quelli di ferrite, tali da determinare notevoli incrementi delle proprietà di resistenza della lega.
Il tenore percentuale di carbonio determina le caratteristiche meccaniche e tecnologiche della lega, quali ad esempio durezza, resistenza meccanica e attitudine al trattamento termico.
Se il carbonio è contenuto in percentuale superiore al 2,06% e inferiore al 6.67% la lega prende il nome di ghisa. Il carbonio è in piccola parte disperso nella matrice degli atomi di ferro e per la maggior parte presente sotto forma di piccolissime particelle di grafite, come una sorta di conglomerato fra grani di ferro e particelle di grafite.
Ciò rende da un lato la ghisa piuttosto fragile, dall’altro ne facilita la fusibilità: la ghisa con il 4% di carbonio fonde a circa 1200°C contro i 1536°C del fe rro puro.
In alcune leghe si riesce ad ottenere la combinazione di ferro e carbonio nella cementite, Fe3C, un composto durissimo: si ha la ghisa bianca.
Nella pratica il contenuto di carbonio nella ghisa non supera il 3,8%, massimo 4,5%.
Per ottenere caratteristiche particolari e ben definite vengono aggiunti molti altri elementi, in percentuali variabili dallo 0.05% a oltre il 20%, quali: manganese, nichel, cromo, molibdeno, vanadio, niobio, titanio, tungsteno, silicio, alluminio, rame, calcio, zolfo, ecc.
Questi conferiscono proprietà specifiche quali ad esempio resistenza meccanica, resistenza alla corrosione e al calore, resistenza alle basse temperature, lavorabilità alla macchina utensile.
Si hanno così gli acciai speciali e le ghise speciali.
In base agli elementi aggiunti si hanno varie famiglie di acciai, ad esempio: Acciai ad alta resistenza meccanica: cromo, nichel, manganese, vanadio; Acciai inossidabili: cromo (dal 13% al 30%) e nichel (8% - 25%);
Acciai per molle: Silicio;
Ghise sferoidali ad alta resistenza meccanica: silicio, tracce di cerio; Ghise resistenti alla corrosione: nichel in alta percentuale;
Ghise dure resistenti all’abrasione: cromo e nichel;
La designazione delle leghe ferrose è regolata a livello mondiale dalle norme ISO, recepite in Europa e in Italia dalle UNI-EN-ISO.
Senza entrare nel dettaglio della enorme gamma di acciai e ghise, appositamente formulati per soddisfare ogni esigenza, si daranno le linee essenziali per comprendere la designazione dei materiali più comunemente usati.
Principali riferimenti normativi:
UNI-EN 10020: Definizione e classificazione dei tipi di acciaio;
UNI-EN 10027-1: Sistemi di designazione degli acciai: designazione alfanumerica; UNI-EN 10025: Prodotti laminati a caldo di acciai non legati per impieghi strutturali; UNI-EN 10083: Acciai da bonifica
La classificazione degli acciai prevede due gruppi:
1°gruppo acciai designati in base alle caratteristiche me ccaniche o all’impiego 2°gruppo acciai designati in base alla composizione
Il 1°gruppo comprende gli acciai di base, di qualità o speciali destinati alle costruzioni per i quali sono fondamentali le caratteristiche di resistenza meccanica (carico di rottura e di snervamento), resilienza, oppure particolari caratteristiche di lavorabilità.
Sono impiegati allo stato di fornitura dall’acciaieria, con il quale si intende che non sono previsti ulteriori trattamenti termici per modificarne le caratteristiche meccaniche.
Gli acciai del 2°gruppo invece sono appositamente formu lati per essere trattati termicamente o avere particolari caratteristiche fisiche o fisico-chimiche.
Per questi la designazione prevede che la sigla riporti gli elementi chimici intenzionalmente aggiunti allo scopo di ottenere le caratteristiche desiderate.
Si riporta la designazione dei tipi più utilizzati e, per completezza, si indica per alcuni di essi la corrispondenza tra la designazione secondo la UNI-EN-10027:1993 (aggiornata nel 2006) e la precedente UNI-EU 27 ritirata nel 1993.
Designazione degli acciai di base secondo la UNI EN 10027 |
||
simbolo |
impiego |
Caratteristiche da specificare dopo il simbolo |
S |
Acciai per impieghi strutturali |
Carico di snervamento minimo garantito, N/mm2 |
P |
Acciai per recipienti in pressione |
|
L |
Acciai per tubi di condutture |
|
E |
Acciai per costruzioni meccaniche |
|
B |
Acciai per cemento armato |
Carico di snervamento, N/mm2 |
Y |
Acciai per cemento armato precompresso |
Carico di rottura minimo garantito, N/mm2 |
R |
Acciai per rotaie |
Carico di rottura minimo garantito, N/mm2 |
I seguenti tipi di acciaio sono d’uso corrente per carpenteria e costruzioni in genere.
Designazione secondo UNI EN 10027 |
Designazione secondo UNI EU 27 |
Lettera S seguita dal valore del carico di snervamento in N/mm2 |
Fe seguito dal valore del carico di rottura in N/mm2 |
Dopo la sigla ulteriori lettere per indicare resilienza e stato di fornitura |
Dopo la sigla una o più lettere per indicare la resilienza |
Tipi di acciai secondo la UNI EN 10025 |
||||||
tipo |
Rm (minimo garantito) N/mm2 |
Rs (minimo garantito) N/mm2 |
All. % a rottura (minimo) |
Resilienza KV (joule) |
Temperatura di prova (°C) |
Vecchia denominazione secondo |
S185 |
320 |
185 |
|
- |
|
Fe320 |
S235JR |
360 |
235 |
25 |
27 |
+20°C |
Fe360B |
S235J0 |
27 |
0°C |
Fe360C |
|||
S235J2 |
27 |
-20°C |
Fe360D |
|||
S275JR |
430 |
275 |
21 |
27 |
+20°C |
Fe430B |
S275J0 |
27 |
0°C |
Fe430C |
|||
S275J2 |
27 |
-20°C |
Fe430D |
|||
S355JR |
510 |
355 |
21 |
27 |
+20°C |
Fe510B |
S355J0 |
27 |
0°C |
Fe510C |
|||
S355J2 |
27 |
-20°C |
Fe510D |
|||
S355K2 |
40 |
-20°C |
(Fe510DD) |
|||
E295 |
490 |
295 |
19 |
- |
- |
Fe490 |
E335 |
590 |
335 |
15 |
- |
- |
Fe590 |
E360 |
690 |
360 |
10 |
- |
- |
Fe690 |
Gli acciai del 2°gruppo sono suddivisi in 4 sottogruppi . La designazione è strutturata secondo le seguenti regole:
Sottogruppo |
Simboli di designazione |
Esempio |
2.1: Non legati al solo carbonio |
|
C45 C100 |
2.2: Legati con tenore di ciascun elemento minore del 5% |
|
16MnCr5 |
2.3: Legati con tenore di ciascun elemento maggiore del 5% |
|
X8CrNi18-8 X55CrMoV 5-1-1 X205Cr13 |
2.4: Acciai rapidi |
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HS 12-8-5-5 |
Tabella dei fattori moltiplicatori per gli elementi aggiunti degli acciai legati del sottogruppo 2.2:
Elemento |
Moltiplicatore |
Ni, Cr, Mn, Si, Co, W |
4 |
Al, Be, Cu, Mo, Nb, Pb, Ta, Ti, V, Zr |
10 |
Ce, N, P, S |
100 |
B |
1000 |
Le caratteristiche degli acciai del 2°gruppo dipendono sia dalla composizione chimica sia dal trattamento termico che viene effettuato su di essi.
Questi acciai sono formulati appositamente per impieghi specifici, quindi si hanno (l’elenco non presenta tutti i tipi esistenti):
Come detto al punto 2, la caratteristica più importante delle leghe ferro-carbonio è rappresentata dalla possibilità di modificare quasi a piacimento le caratteristiche meccaniche per ottenere i valori di resistenza meccanica, durezza, o le proprietà tecnologiche richieste dalle applicazioni.
Ciò è dato dalla influenza che il carbonio e molti elementi di lega hanno sulla trasformazine strutturale (CCC -> CFC) cioè sulla temperatura alla quale avviene questo fenomeno, e sulla velocità a cui avviene specialemente al raffreddamento.
Nel ferro puro la trasformazione è perfettamente reversibile, ovvero a qualsiasi velocità si faccia avvenire il raffreddamento la trasformazione inversa, cioè da CFC a CCC è sempre completa.
All’aumentare del contenuto di carbonio ciò non è più vero, e al raffreddamento rapido la struttura non fa in tempo a ritornare CCC da CFC, inoltre il carbonio deve avere il tempo materiale di “uscire” dal reticolo CCC che si sta formando.
Se la trasformazione è rapida, il carbonio rimane intrappolato, il reticolo CCC viene deformato e la struttura che si ottiene viene detta martensite ed è tanto più dura quanto maggiore è la percentuale di carbonio dell’acciaio; la massima durezza si ha già con lo 0,6% di carbonio.
In particolare mediante opportuni cicli di trattamento a temperature più o meno elevate si possono ottenere grande durezza, ottima resistenza all’usura, massima lavorabilità alla macchina utensile.
I cicli di trattamento che permettono questi risultati sono detti trattamenti termici e trattamenti termochimici se abbinati a modificazioni chimiche alla superficie dei pezzi. Affinchè un trattamento termico sia efficace devono essere rispettate delle condizioni ben definite che dipendono dalla lega e dallo scopo che si persegue:
Il carbonio penetra nella superficie dei pezzi e per una profondità di alcuni decimi di millimetro si ha un forte aumento della percentuale di carbonio (mediamente si raggiunge l’1%).
La successiva tempra permette di ottenere uno strato superficiale durissimo (60 HRc) ideale per pezzi che devono resistere all’usura (ingranaggi, cuscinetti).
Viene eseguito su acciai appositamente formulati, con tenore di carbonio tra lo 0,1% e lo 0,2%.
Si applica su utensili, trivelle (perforazione di terreni e rocce), stampi, ma non è adatto per sopportare carichi concentrati (cuscinetti) perchè lo strato è troppo sottile e verrebbe “sfondato” con facilità.
Un trattamento termico eseguito a temperatura errata, eccessiva o troppo bassa, non rispettando i tempi indicati dal produttore dell’acciaio, in forni inadatti e atmosfere non controllate porta inevitabilmente a risultati scadenti.
La casistica è molto ampia, ma alcuni casi vanno citati:
Le ghise sono classificate e designate in accordo con le norme UNI e UNI – EN. Si hanno tre famiglie fondamentali:
Si ottiene quando durante la solidificazione della colata il carbonio si separa dal ferro per formare degli aggregati di grafite.
La grafitizzazione è facilitata dall’aggiunta di silicio (2%) e dal raffreddamento lento.
La temperatura di fusione è di circa 1200 °C e si prest a ad ottenere forme molto complesse (elevata colabilità)
La sua durezza non è elevata e si lavora facilmente alla macchina utensile.
Quando la grafite è sotto forma di lamelle molto fini e disperse si parla di ghisa lamellare. Presenta bassa resistenza meccanica.
La designazione secondo la UNI EN 1561 è la seguente: il numero dopo la sigla indica il carico di rottura.
sigla |
Rm (N/mm2) |
Durezza HBW |
EN-GJL-200 |
200 |
150-200 |
EN-GJL-250 |
250 |
170-220 |
EN-GJL-300 |
300 |
190-240 |
Quando la grafite è sotto forma di particelle globulari (sferoidi) si parla di ghisa sferoidale. Presenta una resistenza meccanica da media a molto elevata abbinata ad una buona tenacità ed è facilmente lavorabile alla macchina utensile.
Si ottiene la formazione degli sferoidi durante la solidificazione aggiungendo piccole quantità di metalli come il magnesio.
É adatta per realizzare parti di macchine utensili, blocchi motore, alberi a camme e a gomiti. Può essere legata con cromo, nichel per ottenere elevata resistenza al calore o alla corrosione.
La designazione segue la UNI EN 1563. Di seguito si riportano alcune sigle, in cui i numeri dopo la sigla indicano carico di rottura e allungamento percentuale a rottura.
sigla |
Rm (N/mm2) |
Rp0,2 (N/mm2) |
A% |
EN-GJS-400-18 |
400 |
240 |
18 |
EN-GJS-600-3 |
600 |
370 |
3 |
EN-GJS-900-2 |
900 |
600 |
2 |
Si ha ghisa bianca quando il carbonio è combinato sotto forma di cementite, un composto molto duro.
Presenta una grande durezza e quindi alta resistenza all’usura, ma è fragile.
Può essere legata con cromo, nichel per ottenere elevata resistenza al calore o alla corrosione.
La norma UNI 8845:1986 ne indica la designazione:
GB O UNI 8845: ghisa bianca non legata GB L UNI 8845: ghisa bianca legata
GB CrNi 9 5 UNI 8845: ghisa bianca legata con il 9% di cromo e il 5% di nichel
Non esiste settore in cui non venga utilizzato il ferro nelle sue leghe.
Le applicazioni degli acciai e delle ghise sono così vaste che è impossibile fornire un elenco esauriente; quelle citate sono solo alcune tra le più significative,
Ghisa “grigia”
Viene usata per termosifoni, caldaie, tubazioni, pompe per acqua, parti di stufe e fornelli, raccorderia per tubazioni, monoblocchi e cilindri di motori, dischi e tamburi per freni, ecc. ecc. Si tratta di parti ottenute per fusione.
La ghisa è una materiale generalmente fragile, resiste male o in misura limitata agli urti, resiste molto bene alla corrosione (arrugginisce facilmente ma la corrosione procede molto lentamente), resiste bene al calore e alla fiamma diretta anche a temperatura elevata (fino a 700°C circa).
Giranti e corpi per pompe e turbine, monoblocchi e alberi motore.
Acciaio al carbonio: lamiere per autoveicoli, navi, tubi per acquedotti, gasdotti, oleodotti, rotaie ferroviarie, profilati per l’edilizia (travi e laminati detti comunemente “putrelle”), scatolame, pentole, minuterie varie,……
Meccanica: autoveicoli, aeroplani, navi (tutte le parti in cui le condizioni di funzionamento sono particolarmente gravose) ovvero: Molle, semiassi, bielle, alberi di trasmissione, cuscinetti, viti e bulloni, funi, corazze.
Edilizia: tiranti, funi, bulloni, ancoraggi, utensili di perforazione, pannelli di rivestimento (specialmente gli acciai inossidabili), ecc.
Alimentare: acciai inossidabili (di vario tipo) usati per stoviglie, pentole, cucine, ecc. Sanitario: servizi igienici;
Medico: strumenti chirurgici e attrezzature ospedaliere.
Il ferro e la maggior parte delle sue leghe hanno una resistenza alla corrosione molto bassa e producono, esposti alle intemperie, la caratteristica ruggine di colore marrone o rosso.
Pertanto nelle applicazioni deve essere protetto dagli agenti corrosivi mediante opportune vernici e rivestimenti protettivi di altri metalli.
Il metallo più usato è lo Zinco (zincatura).
Il rame allo stato puro viene impiegato allo stato puro come materiale per conduttori elettrici in ragione della sua ottima conducibilità elettrica e termica.
Trova impiego in edilizia per elementi di rivestimento perché possiede una eccellente resistenza agli agenti atmosferici.
Con l’aggiunta di elementi quali Zinco, Stagno e Alluminio forma una famiglia di leghe tra le più importanti nelle numerose applicazioni pratiche:
Sono denominate Ottoni e presentano un caratteristico colore giallo più o meno intenso. Lo zinco è aggiunto in percentuali variabili tra il 10% e il 40%.
Sono caratterizzati da una elevata resistenza alla corrosione e meccanica, facilmente lavorabili, possono diventare molto duri al crescere del tenore di zinco (oltre il 45% la lega è inutilizzabile perchè troppo fragile).
Sono impiegati estesamente per serrature, maniglie, elementi decorativi, viterie e rubinetterie. In elettrotecnica si usano per morsetti, viti, contatti, elementi di collegamento.
Gli ottoni resistono generalmente bene alla corrosione, ma presentano dei fenomeni negativi dovuti a particolari condizioni ambientali e di trattamento termico:
Sono denominate Bronzi e come per gli ottoni sono di colore giallo o tendenti al rosso.
Lo stagno è aggiunto in percentuale massima del 13% (oltre si avrebbe un metallo estremamente duro ma fragilissimo).
Sono caratterizzati da una elevata resistenza alla corrosione e meccanica, facilmente lavorabili ma resistenti all’abrasione, con caratteristiche antiattrito, possono diventare molto duri.
Trovano uso per cuscinetti a strisciamento, detti bronzine, e parti in cui la resistenza all’abrasione è importante (madreviti di macchine utensili).
Il loro uso più noto è nella fabbricazione di campane e statue (oltre che, un tempo, di cannoni) perché si prestano moto bene alla realizzazione di forme complicate mediante fusione.
In particolare per le campane è apprezzata la caratteristica di produrre dei suoni molto puri e persistenti, perché si tratta di metalli che smorzano molto poco le vibrazioni.
L’aggiunta di alluminio determina i cosiddetti Bronzi all’Alluminio o Cuprallumini, leghe adatte sia alla lavorazione plastica sia alla fonderia; presentano elevata resistenza meccanica e alla corrosione.
E’ un metallo interessante perché presenta una grande leggerezza (bassa densità) e una buona resistenza.
Viene impiegato, puro o in lega con l’alluminio, principalmente nel settore aerospaziale e negli autoveicoli e motoveicoli da competizione.
Viene facilmente ossidato all’aria formando un ossido di colore bianco e deve pertanto essere protetto con opportuni rivestimenti.
Questo metallo abbina una buona leggerezza (bassa densità) ad una resistenza pari o superiore a quella di molti acciai speciali.
Trova impiego nel settore aerospaziale, negli autoveicoli e motoveicoli da competizione, per strumenti chirurgici e protesi ossee, in oreficeria e ottica.
E’ stato impiegato anche in edilizia, ma il suo costo molto elevato e le difficoltà di lavorazione ne limitano di molto la diffusione.
E’ pressoché inalterabile dagli agenti atmosferici e biocompatibile con gli organismi viventi (da ciò l’uso per protesi e dispositivi chirurgici).
Sono i metalli nobili per eccellenza, specialmente oro e platino. Sono impiegati sia in oreficeria sia in molti settori della tecnica.
L’argento si presta molto bene alla realizzazione di contatti elettrici per interruttori e per fusibili di precisione
L’oro è il miglior conduttore esistente e ha largo uso in elettronica
Il platino è il più resistente e inalterabile fra i metalli e viene usato per strumenti di laboratorio, misure campione, elettrodi (per le candele dei motori ad esempio).
E’ un metallo “povero” dalle grandi qualità.
Allo stato puro serve per proteggere il ferro dalla corrosione: “zincatura”.
Fra tutti i possibili rivestimenti è quello che protegge nel modo migliore i materiali ferrosi dagli agenti atmosferici.
Viene applicato per immersione in bagno fuso, zincatura a caldo, o per applicazione galvanica, zincatura elettrolitica.
Applicazioni: carrozzerie di automobili, carpenterie di ponti, edifici, tralicci, funivie, recinzioni, barriere stradali, viti e bulloni, fili, tubazioni per acqua, …..
NOTA IMPORTANTE 1: lo zinco reagisce chimicamente al contatto con metalli più nobili quali rame o acciaio inossidabile, corrodendosi molto rapidamente. Pertanto sono da evitare gli abbinamenti di questi metalli in condizioni che possano favorire la corrosione, cioè in presenza di acqua,
Quindi mai mettere assieme lamiere zincate di copertura di tetti e grondaie in rame, o tubi in acciaio zincato e tubi di rame a contatto tra di loro o giuntati, pena una rapida corrosione dello zinco e del ferro sottostante con il risultato di avere infiltrazioni di acqua dai tetti o peggio la casa allagata per rottura delle tubazioni.
NOTA IMPORTANTE 2: lo zinco viene rapidamente dissolto da acqua alla temperatura di circa 60° C. E’ inutile impiegare tubazioni zincate per gli impianti di riscaldamento, ed eventualmente per il circuito dell’acqua calda sanitaria.
Queste tubazioni comunque non si corrodono perché si forma al loro interno uno strato protettivo di calcare che impedisce la corrosione (per una volta il calcare fa bene).
I sali di zinco non sono né tossici né hanno effetti sull’organismo umano.
Un impiego particolare dell’ossido di zinco è nella fabbricazione delle creme solari e di alcuni cosmetici.
Il suo uso più noto è in elettrotecnica, elettronica e lattoneria per le saldature (puro o in lega con il piombo).
Serve per proteggere lo scatolame e le pentole dalla corrosione dovuta al contatto con i cibi.
A differenza dello zinco non protegge il ferro, per cui se il rivestimento viene graffiato si ha subito la comparsa di ruggine.
Non è velenoso.
E’ un metallo velenoso, provoca intossicazioni da accumulo. Era usato un tempo per tubi e coperture.
Per la sua elevata densità e la facile fusibilità trova impiego come materiale per contrappesi e per la sigillatura delle estremità delle funi di teleferiche e funivie (questa applicazione è in via di abbandono)
E’ un metallo bianco lucente, molto duro e resistente.
E’ usato in lega negli acciai per ottenere acciai speciali ad alta resistenza e inossidabili.
Allo stato puro viene impiegato per rivestimenti protettivi (cromature) ad effetto decorativo se di piccolo spessore (qualche millesimo di millimetro) e per dare maggiore resistenza alla abrasione se di forte spessore (qualche decimo di millimetro).
I suoi composti sono fortemente velenosi e cancerogeni (cromo esavalente) e hanno trovato impiego nell’industria conciaria e nell’industria galvanica per le cromature.
In lega con il nichel e il rame serve per ottenere i fili per le resistenze elettriche (nichelcromo) impiegate in elettrodomestici, forni, stufe.
E’ un metallo bianco lucente.
E’ usato in lega negli acciai per ottenere acciai speciali ad alta resistenza e inossidabili a struttura austenitica.
La nichelatura era usata un tempo per rivestimenti decorativi, attualmente serve come base per cromature ed altri trattamenti galvanici.
In lega con il rame dà origine a leghe quali la costantana, usata per resistenze elettriche, l’alpacca (rame-nichel-zinco) usata per le montature di occhiali, posateria (ora in disuso).
La temperatura di fusione elevatissima rende il tungsteno il metallo ideale per la realizzazione dei filamenti delle lampade elettriche.
In lega negli acciai conferisce loro elevatissima durezza e resistenza all’usura, proprietà necessarie per gli utensili (punte da trapano), spesso abbinato al cobalto.
Con il carbonio forma un carburo durissimo e tenace, il carburo di tungsteno detto anche “Widia”, impiegato per la costruzione di utensili per la lavorazione dei metalli e delle pietre (punte e fioretti per la perforazione del calcestruzzo e delle rocce)
Fonte: http://www.depasqual.net/paolo/didattica/metalli.pdf
Sito web da visitare: http://www.depasqual.net
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