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MATERIALI METALLICI NON FERROSI - Coggle Diagram
MATERIALI METALLICI NON FERROSI
Introduzione Storica e Tecnologica
La produzione dei metalli non ferrosi (tutti i metalli diversi dal ferro) ha origini sia antichissime sia molto recenti
Il Rame
: primo metallo usato dall'uomo (dal 7000 a.C. in Oriente)
Il Bronzo
: unione di rame e stagno, compare nel 3000 a.C. in Mesopotamia ed Egitto. Richiedeva tecniche più evolute
Il Ferro
: lavorato inizialmente da meteoriti in Egitto; la vera tecnologia estrattiva nasce nel 1400 a.C. con gli Ittiti (che la tennero come segreto di stato fino al 1190 a.C.)
Perché il rame prima del ferro?
Perché il rame fonde e si lavora a temperature molto più basse
Metalli moderni
:
Zinco
(scoperto nel XVI secolo, usato dal XVIII),
Nichel
(1751),
Magnesio
(1755),
Alluminio
(brevettato nel 1887),
Titanio
(tecnica della "spugna" nel 1938)
Perché sono così recenti?
Alluminio, magnesio e titanio si legano fortemente all'ossigeno. Non si possono estrarre col semplice calore (via termica), ma richiedono processi chimici ed elettrici complessi (elettrolisi)
Alluminio e le sue Leghe
L'alluminio è un materiale leggero e versatile, diventato strutturale grazie all'elettricità
Proprietà Generali:
Dati fisici
: Numero atomico 13, struttura cristallina cubica a facce centrate (c.f.c.), densità bassa (2,70 g/cm^3) e fonde a (660°C)
Caratteristiche
: Leggero, ottima conduzione di calore ed elettricità, molto deformabile (duttile e malleabile), resiste alla corrosione, riflette la luce, non fa scintille e non è magnetico
Produzione
: Si estrae dal minerale bauxite, purificato in allumina (processo Bayer) e poi ridotto a metallo tramite elettrolisi in bagni fusi di criolite
Settori di Impiego
Alluminio puro
: Lattine per bibite, pentole, vaschette alimentari, contenitori chimici e decorazioni
In lega
(miscelato con altri elementi): Si unisce a silicio, rame, magnesio, zinco e manganese per aumentarne la resistenza. Le leghe ad alta resistenza (alluminio-rame, alluminio-zinco)
costituiscono circa l'89% del peso degli aerei tradizionali
Classificazione
Le leghe si dividono in due grandi gruppi:
da
fonderia
(per essere colate negli stampi) e
da
deformazione plastica
(per essere stese in fogli, barre o tubi).
Vengono classificate con dei codici numerici
Leghe semilavorate
(4 cifre): La prima cifra indica la famiglia (es. serie 1xxx è alluminio puro, serie 2xxx è alluminio-rame, ecc.). Le ultime cifre indicano la purezza o la combinazione di altri metalli
Leghe per getti
(3 cifre): Numerazione convenzionale senza legame diretto con la chimica
Trattamenti Termici e Meccanici
(Stati Metallurgici)
Dopo il nome della lega, una lettera e dei numeri indicano i trattamenti subiti dal metallo
F
: Grezzo di lavorazione (proprietà non garantite)
O
: Ricotto (il materiale viene scaldato per renderlo il più morbido e lavorabile possibile)
H
: Incrudito (rinforzato deformandolo a freddo). I numeri successivi (es. H1, H2, H3) indicano il livello di durezza o se è stato stabilizzato
W
: Temprato e invecchiato naturalmente a temperatura ambiente
T
: Trattato termicamente (scalda e raffredda) per indurirlo, seguito da cifre da 1 a 10
Tecniche di Fonderia
(Getti)
In sabbia
: Economico, perfetto per pezzi grandi, unici o complessi.
Attenzione: non bisogna surriscaldare il metallo liquido, altrimenti assorbe idrogeno dal vapore acqueo creando bolle e rendendo il pezzo poroso e fragile
In conchiglia
: Il metallo cola per gravità in stampi metallici riutilizzabili (acciaio o ghisa).
Ottima finitura e precisione, ma adatto solo per pezzi piccoli e semplici
Pressofusi
: Il metallo fuso viene spinto nello stampo metallico ad altissima pressione.
Permette pareti sottilissime, dettagli perfetti, alta velocità di produzione e tolleranze millimetriche
Leghe da Deformazione Plastica
(Semilavorati)
Vengono lavorate meccanicamente (laminate, forgiate, estruse) in tre passaggi: colata del lingotto, deformazione a caldo/freddo e trattamento termico.
Si dividono in:
Non trattabili termicamente
: Si induriscono solo schiacciandole a freddo (es. serie 1100, 3003, 5052)
Trattabili termicamente
: Si induriscono con trattamenti termici di riscaldamento (precipitazione)
.La deformazione a caldo serve a rompere la struttura grezza del lingotto e sfruttare la massima plasticità del metallo per ridurne lo spessore
Rame e le sue Leghe
Il rame è un metallo pesante, rossastro e lucente, famoso per la sua impareggiabile conducibilità
Proprietà Generali:
Dati fisici
: Numero atomico 29, struttura cubica a facce centrate (c.f.c.), densità alta (8,96 g/cm^3) e fonde a (1083°C)
Caratteristiche
: Conduce elettricità e calore in modo eccezionale, si deforma facilmente a caldo e a freddo, si unisce facilmente ad altri metalli, resiste alla corrosione ed è facile da saldare o colorare a scopo decorativo. Mantiene le sue doti meccaniche anche a temperature bassissime
Estrazione
: Oggi si usano processi complessi e ad alto consumo di energia perché i minerali rimasti contengono pochissimo rame (spesso solo l'1%)
Aspetto
: All'aria aperta si ossida rapidamente creando delle patine protettive che ne cambiano il colore nel tempo
Famiglie delle Leghe di Rame
Il rame puro è troppo morbido per essere lavorato al tornio o con macchine automatiche.
Gli elementi aggiunti lo rendono più duro, resistente e facile da fondere o tagliare:
Ottoni
: Unione di Rame e Zinco
Bronzi
: Unione di Rame con altri elementi (stagno, silicio, alluminio, berillio), ma senza zinco come elemento principale
Cupronichel
: Rame e Nichel
Metalli Bianchi
: Rame, Nichel e Zinco
Gli Ottoni (Rame + Zinco)
Lo zinco si scioglie nel rame modificando la struttura cristallina della lega. La struttura (\alpha ) (fino al 36% di zinco) è lavorabile sia a caldo che a freddo; la struttura (\beta ) (oltre il 36%) diventa lavorabile solo a caldo.
Più zinco si aggiunge (fino al 45%), più la resistenza aumenta, ma oltre il 30% la duttilità (capacità di allungarsi) crolla.
Ottoni (alpha) Rossi (5% - 20% Zinco)
Caratteristiche
: Colore dal rosa al dorato (chiamati anche "similori"), ottima resistenza alla corrosione, costosi per l'alto contenuto di rame.
Esempi e Usi
:
Metallo dorato
(5% Zn): Monete, medaglie, gettoni
Ottone commerciale
(10% Zn): Ferramenta marina, viti, gioielleria
Ottone rosso
(15% Zn): Tubi idraulici, condensatori, scambiatori di calore
Ottone basso
(20% Zn): Strumenti musicali, parti decorative, tubi flessibili
Ottoni (alpha) Gialli (20% - 36% Zinco)
Caratteristiche
: Molto resistenti e incredibilmente deformabili a freddo (es. stampaggio dei bossoli)
Esempi e Usi
:
Ottone "cartridge"
(30% Zn) e ottone giallo (35% Zn) (p. 14). Usati nei radiatori delle auto, impianti elettrici, ferramenta e munizioni. Aggiungendo un po' di piombo (1,5-3%) diventano facilissimi da tagliare per creare ingranaggi, chiavi e parti di orologi
I due grandi problemi degli ottoni gialli:
Dedimento stagionale (Season Cracking)
: È una corrosione sotto sforzo. Le forze accumulate nel metallo quando viene deformato a freddo creano crepe se c'è ammoniaca nell'aria.
Si risolve scaldando il pezzo a 260°C (distensione) per rilassare le tensioni interne
Dezincificazione
: In acqua dolce o salata ricca di ossigeno, lo zinco si scioglie via, lasciando solo uno strato di rame poroso, spugnoso e fragile che si rompe o perde liquidi. Si risolve aggiungendo piccolissime dosi di stagno o arsenico
( - Lega ammiragliato: Ottone giallo + 1% stagno + arsenico. Usata per i tubi dei condensatori nelle centrali elettriche)
( - Ottone all'alluminio: Crea una pellicola protettiva che si ripara da sola, ideale per i tubi delle navi)
Ottoni (alpha + beta) (35% - 40% Zinco)
Caratteristiche
: Più duri, contengono due strutture cristalline e si lavorano benissimo a caldo (sopra i (460 °C)
Esempi e Usi:
Metallo Muntz (40% Zn)
: Usato nei rivestimenti navali, scambiatori di calore e architettura
Ottone free-cutting (con Piombo
): Il più facile in assoluto da lavorare alle macchine ad alta velocità per fare ingranaggi e bulloni
Ottone navale (Ottone Tobin)
: Resiste alla corrosione del mare; usato per alberi di eliche marine e valvole
Ottoni in getto (fusi)
: Contengono anche molto piombo e stagno (es. ottone rosso al piombo) per fare valvole a bassa pressione e raccordi
I Bronzi
(Rame + Altri elementi)
Oggi il termine indica le leghe di rame con più del 12% di un elemento che non sia lo zinco
Bronzi allo stagno (o Bronzi Fosforosi)
: Lo stagno aumenta la durezza e la resistenza all'usura molto più dello zinco, e protegge dall'acqua di mare.
Si aggiunge sempre un po' di fosforo (0,01-0,5%) per eliminare l'ossigeno dal metallo fuso. Non soffrono di corrosione sotto sforzo.
Fino all'8% di stagno
: Molto lavorabili a freddo. Usati per fili, monete, molle e guarnizioni
Dall'8% al 12% di stagno
: Usati per ingranaggi, cuscinetti e parti di navi
Dal 20% al 25% di stagno
: Diventano durissimi; usati come pezzi fusi per le palle dei frantoi
L'uso del Piombo nei bronzi
: Il piombo non si scioglie nel rame, ma crea microscopiche goccioline separate nel metallo. Essendo morbido, agisce come un "lubrificante solido" naturale, riducendo l'attrito e l'usura nei motori.
Se ne mette meno del 2% per non indebolire il pezzo, tranne che nei cuscinetti per carichi leggeri dove può arrivare al 25%.
Altri Bronzi principali (dalle tabelle finali):
Bronzo all'alluminio (es. C61400)
: Altissima resistenza, usato per dadi, bulloni marini e componenti di motori
Bronzo al silicio (es. C87200)
: Ottima colabilità e resistenza alla corrosione, usato per pompe e valvole
Bronzo al berillio (es. C17000 / C82400)
: Raggiunge resistenze meccaniche elevatissime dopo il trattamento termico. Usato per molle speciali, strumenti di sicurezza antiscintilla e stampi per plastica