I metalli e leghe

Introduzione Sin dalla più remota antichità erano conosciuti ed utilizzati il RAME, l’ORO e l’ARGENTO e successivamente il PIOMBO, il FERRO e lo STAGNO. Il primo uso dei metalli risale al NEOLITICO, quando venivano utilizzati oro, argento e rame nativi, che essendo malleabili e duttili, mediante martellatura e stiramento a freddo, potevano essere impiegati per la realizzazione di oggetti ornamentali e simboli di prestigio.

Introduzione Le età dei metalli iniziano però quando viene inventata la tecnologia di estrazione per fusione del rame e dei suoi minerali (solfuri, ossidi, carbonati) e con tecniche via via affinatesi nel tempo, si raggiunge la capacità di dare forma al materiale fuso ottenendone strumenti di lavoro e armi di difesa/offesa. - Età del rame (fine IV e III millennio a.C) - Età del bronzo (III millennio a.C. –circa 900 a.C) - Età del ferro (circa 900 a.C. –tempi storici)

Il rame Il rame aprì una nuova era dell' umanità: finì l'età della pietra (paleolitico e neolitico) ed iniziò l'età dei metalli. L'età del rame è chiamata da alcuni studiosi anche Calcolitico, dalle parole greche che significano rame (khalkòs) e pietra (lìthos). Fu una vera e propria rivoluzione tecnologica e sociale. Basti pensare che fino ad allora per produrre utensili erano noti essenzialmente solo due materiali inorganici: la pietra, resistente ma dura da lavorare, e l'argilla, che al contrario era facile da lavorare ma non era adatta a tutti gli usi, perché gli oggetti con essa prodotti (ad esempio vasi di terracotta) erano troppo fragili. Il rame invece riuniva in sé i pregi di entrambi i materiali già noti, eliminandone i difetti: una volta fuso si poteva infatti plasmare in mille forme come l'argilla, ma quando si raffreddava diventava più resistente della pietra. La scoperta del rame provocò inoltre molte trasformazioni sociali: per procurarselo infatti si dovevano affrontare pericolosi viaggi in luoghi lontani, cosa che favorì i contatti fra le civiltà.

Il rame Gli oggetti di rame costituivano un bene di lusso. Nell'antichità infatti i metalli erano in genere usati solo quando era indispensabile, altrimenti si preferivano materiali più economici, poiché i giacimenti noti erano pochi ed il processo di estrazione costoso. Ad esempio il vasellame ed il pentolame domestico della gente comune erano di terracotta, mentre solo in pochi potevano permettersi di possederne di rame o di altri metalli. La disponibilità di rame e di altri metalli favorì il fiorire di grandi civiltà: per esempio la civiltà etrusca in Italia centrale e quella nuragica in Sardegna devono il loro rapido sviluppo e la loro ricchezza allo sfruttamento delle miniere di rame e di altri metalli. Con la produzione ed il commercio del rame questi popoli entrarono in contatto con altre civiltà più ricche come quella greca o quella fenicia, i cui mercanti venivano a scambiare il metallo con i loro raffinati prodotti. Grazie a questi contatti le popolazioni italiche si arricchirono sia materialmente che culturalmente.

Il bronzo Fin dai primi tempi si fecero esperimenti cercando di combinare il rame con altri metalli. La scoperta più importante fu la lega derivata dalla combinazione di rame e stagno: il bronzo. È interessante il fatto che, al contrario di noi, gli antichi non fecero mai distinzioni fra il rame puro e le leghe derivate dalla sua combinazione con altri metalli. Ne è prova il fatto che quasi tutte le lingue antiche a noi note (ad es. il greco, il latino, l'ebraico ecc.) usano la stessa parola per indicare sia il rame che il bronzo. Il bronzo aprì una nuova epoca e venne utilizzato per la produzione di vasellame, utensili e soprattutto armi, poi in età classica anche nell'arte, ad esempio per realizzare le statue. Durante tutta l'antichità si continuò però ad usare anche il rame puro, ad esempio anche per coniare le monete.

Il rame Il rame è un elemento relativamente poco abbondante in natura, ma i suoi minerali sono assai numerosi. (a) Ossidi di rame (cuprite, tenorite) e di ferro (ematite e magnetite); (b) Carbonati di rame (azzurrite e malachite); (c) Minerali solforati, tra cui il più diffuso è la calcopirite, solfuro doppio di ferro e rame. Mentre dai minerali, ossidi e carbonati, il rame può essere estratto mediante semplice fusione con carbone di legna, i trattamenti dei minerali di zolfo sono molto più complessi.

Le leghe I metalli presenti allo stato elementare in natura o estratti da minerali sono stati dapprima utilizzati singolarmente e poi associati tra loro per costituire LEGHE. Le leghe hanno aspetto diverso dai metalli di base, ma soprattutto hanno proprietà fisiche o prestazioni superiori, in risposta a precisi bisogni, quali: bassa temperatura di fusione, migliore elasticità, durezza e resistenza meccanica più elevate, ecc.

Le leghe Una lega è costituita dall’unione, mediante fusione, di un metallo con almeno un altro metallo o metalloide. Generalmente si ha completa miscibilità fra i due elementi fusi, ma possono verificarsi casi di immiscibilità o parziale miscibilità. Può esistere una grande varietà di leghe, anche con più di due elementi, non solo per quanto riguarda la composizione, ma anche per la struttura fisica.

Le leghe del rame: BRONZO Si tratta di : - miscele binarie di RAME-STAGNO (10%); - Miscele ternarie di RAME-STAGNO-PIOMBO; - Miscele quaternarie di RAME-STAGNO-PIOMBO- ZINCO. Stagno e piombo abbassano la temperatura di fusione (circa 950°C). Il piombo facilita la colabilità della lega. I bronzi del periodo romano imperiale contenevano piombo fino al 20% e stagno fino al 10%.

Le leghe del rame: OTTONE Si tratta di : - leghe RAME-ZINCO (fino al 40%); - aspetto dorato (Zn fra 10 e 25%), definito dorato o aurico, veniva usato per monetazione. Lo zinco veniva introdotto come minerale (ossido o carbonato) e calcinato insieme al rame. Percentuali di zinco superiori al 25% impartiscono una colorazione giallo-verdastra.

Le leghe del ferro Attorno al 1000 a.C. ci si rese conto da minerali come il ferro delle paludi (idrossidi di ferro) si poteva ottenere ferro metallico per fusione in ambiente riduttivo. In quest’epoca si sviluppò un importante artigianato dei fabbri, che realizzò con il nuovo materiale strumenti già noti e per nuove applicazioni. Il ferrò soppianto presto i precedenti materiali per i seguenti motivi: 1) È geologicamente più comune e presente in masse notevoli, 2) L’efficienza tecnologica degli strumenti in ferro

Le leghe del ferro ACCIAIO Lega ferro-carbonio (meno del 2%). La presenza del carbonio aumenta la durezza, ma conserva la sua elasticità. Veniva usato per utensili e armi. GHISA Lega ferro-carbonio con una % di carbonio superiore al 2%. Aumenta la durezza ma anche la sua fragilità. E’ una lega usata per oggetti ottenuti per fusione e colata.

La metallurgia del ferro La siderurgia è la metallurgia del ferro, dell'acciaio e della ghisa. E' essenzialmente una metallurgia di riduzione, essendo i minerali di ferro principalmente ossidi. L'agente riducente è il CO (monossido di carbonio), ottenuto da coke siderurgico.

I minerali del ferro Come per tutti i processi metallurgici un un buon minerale deve avere le seguenti caratteristiche: o ampia disponibilità; o alto tenore (almeno teorico) di ferro; o basso tenore di elementi nocivi; o basso costo di estrazione.

MINERALI DEL FERRO – OSSIDI EMATITE EMATITE Formula: Fe 2 O 3 % Teorica: 69.9 % Eff.: 45 ÷ 65% n.o. : 3MAGNETITE Formula: Fe 3 O 4 % Teorica: 72.4 % Eff.: 45 ÷ 70% n.o. : 2 – 3 Fe 3 O 4 ↔ Fe 2 O 3 ·FeO LIMONITE Formula: Fe 2 O 3 ·nH 2 O % Teorica: ~ 60 % Eff.: 30 ÷ 50% n.o. : 3

ALTRI MINERALI DI FERRO SIDERITE SIDERITE Formula: FeCO 3 % Teorica: 48.2 % Eff.: 30 ÷ 40% n.o. : 2PIRITE Formula: FeS 2 % Teorica: 46.7 % Eff.: 20 ÷ 30% n.o. : 2

PRETRATTAMENTO DEI MINERALI I minerali di ferro vengono pretrattati termicamente per trasformarli (se non lo sono già) in ossido ferroso o ferrico: FeCO 3 →FeO + CO 2 4 FeS O 2 →2Fe 2 O 3 + 8SO 2 Le ceneri di pirite sono ossido ferrico, e possono essere considerate un “minerale artificiale” se sono abbastanza pure (basso tenore di S). L'SO 2 si ricicla. SiO 2 MnPS Impurezze (GANGA): SiO 2, composti di Mn, P, S

REAZIONI DI RIDUZIONE 3Fe 2 O 3 + CO → 2Fe 3 O 4 + CO 2 ⇆ Fe 3 O 4 + CO ⇆ 3FeO + CO 2 (T>570°C) ⇆ FeO + CO ⇆ Fe + CO 2 ⇆ Fe 3 O 4 + 4CO ⇆ 3Fe + 4CO 2 (T<570°C) FeO in realtà è Fe w O con w = 0,90÷0,95 (a 900°C)

L'ALTOFORNO - SCHEMA TINO SACCA CROGIUOLO BOCCA Diametro max: 8-10 metri. Altezza: circa 30 metri. Costruzione: mattoni refrattari sostenuti da un’incastellatura di acciaio rivestita di lamiera raffreddata ad acqua. Tino e sacca: refrattari silico- alluminosi. Crogiolo: refrattario grafitico.

L'ALTOFORNO - PROCESSO C + O 2 → CO 2 T ~ 1800°C C + CO 2 → 2CO T ~ 1600°C T ~ 1000°C T ~ 500°C T ~ 250°C perdita d'acqua ossido ferrico→magnetite magnetite→wustite wustite→ferro metallico

REAZIONI SECONDARIE 3Fe + 2CO → Fe 3 C + CO 2 eutettico ghisa Fe 3 C dà con Fe un eutettico a 1147°C, in cui si sciolgono altro Fe e altro C fino a formare una lega fusa, la ghisa, che contiene circa il 4% di C. MnO + C → Mn + CO (la reazione avviene a T > 1500°C ) P 2 O 5 + 5CO → 2P + 5CO 2 (la reazione avviene a T > 1100°C ) SiO 2 + 2CO → Si + 2CO 2 (la reazione avviene a T > 1800°C ) SO 2 + 2CO → S + 2CO 2

REAZIONI SECONDARIE Buona parte della SiO 2, piuttosto che ridursi a Si metallico, reagisce con la wustite FeO per dare Fayalite FeO∙SiO 2. L’introduzione di CaCO 3 serve a riconvertire la fayalite in FeO e silicato di calcio secondo la reazione: FeO∙SiO 2 + CaO → 2CaO∙SiO 2 + FeO loppa d'altoforno I silicati e alluminosilicati di calcio (nel caso la ganga contenga anche Al), fondono a circa 1200 °C e costituiscono la scoria (loppa d'altoforno), che, più leggera, ingloba tutti gli ossidi rimasti e stratifica sulla superficie del fuso.

COMPOSIZIONE DELLA GHISA Impurezze nella ghisa: C = 3,8 - 4,3%; Si = 0,4 - 2%; Mn = 0,4 - 1,5%; P = 0,05 - 2%; S = 0,05 - 0,15%

AFFINAZIONE DELLA GHISA È il processo che consente di trasformare la ghisa in acciaio attraverso l’ossidazione del carbonio. Oggi si usano prevalentemente convertitori ad ossigeno. Nei convertitori il calore necessario viene fornito dalle seguenti reazioni, tutte esotermiche: Si + O 2 → SiO 2 ΔH = cal Mn + ½O 2 → MnOΔH = cal C + O 2 → CO 2 ΔH = cal L’anidride carbonica va via, gli altri ossidi scorificano.

CONVERTITORE LD lancia Il convertitore a ossigeno: - rivestito di refrattario basico. - utilizza una lancia che insuffla ossigeno puro dall’alto. - presenta il vantaggio di permettere una regolazione più fine del processo.

CONVERTITORE ad OSSIGENO Il processo è molto rapido e difficilmente controllabile: in circa 15 minuti si ottiene l’allontanamento di tutte le specie indesiderate e la completa decarburazione (comparsa di fiamme rosse).