LE LEGHE METALLICHE

DEFINIZIONI GENERALI Classici esempi di leghe metalliche LEGHE: materiali composti da due o più elementi chimici nei quali l’elemento in quantità maggiore è sempre un metallo (solido di aspetto lucente, buon conduttore di calore e di elettricità; ad esempio: ferro, cromo, zinco, magnesio, rame, stagno, alluminio, manganese, titanio, vanadio, nichel …). Classici esempi di leghe metalliche GHISA e ACCIAIO (ferro + carbonio) BRONZO (rame + stagno) OTTONE (rame + zinco) LEGHE LEGGERE (alluminio + rame + magnesio)

Classificazione delle leghe In base al numero di componenti: binarie, ternarie, quaternarie... In base all’elemento principale: ferroleghe (Fe), leghe calcoidiche (Cu), leggere (Al), ultraleggere (Mg)… In base alla temperatura di fusione (°C): bassofondenti (T < 500), mediofondenti (500 < T < 1200), altofondenti ( 1200 < T < 2000) e refrattarie (T > 2000). In base alle proprietà magnetiche: ferromagnetiche (Fe) e amagnetiche (leghe non ferrose). Esistono poi le leghe “preziose” (Au o Pt), le leghe “nucleari” (impiegati negli omonimi reattori) e le leghe “piroforiche” che presentano una bassa temperatura di accensione (si incendiano facilmente al contatto con l’aria). Ulteriore classificazione in “leghe da bonifica” (prendono facilmente la tempra) e “leghe da incrudimento” (induriscono solo per deformazione plastica, come gli ottoni).

ALLUMINIO [Al] MAGNESIO [Mg] NICHEL [Ni] RAME [Cu] TITANIO [Ti] FERRO [Fe]

COBALTO [Co] CROMO [Cr] MANGANESE [Mn] SILICIO [Si]

VANADIO [V] STAGNO [Sn] ZINCO [Zn]

Materiali metallici Ferrosi Non ferrosi Metalli pesanti Metalli leggeri Altri metalli Ferro Ferro Acciai Ghise Piombo Rame Zinco Stagno Alluminio Titanio Magnesio Nichel Cromo Manganese Molibdeno Tungsteno Litio Platino Palladio Tantalio Indio Lantanidi Acciai comuni Ghise comuni Ghise speciali Acciai speciali con elementi leganti tramite trattamenti termici

Struttura delle leghe SOLUZIONE SOLIDA: composto a composizione nettamente definita in una unica fase omogenea COMPOSTO INTERMETALLICO: gli elementi costituenti mantengono la propria struttura cristallina per cui si ha un mescolamento puramente meccanico con formazione di una miscela eterogenea STRUTTURA COMBINATA: miscela meccanica di una soluzione solida con un composto intermetallico

Importanza pratica Fattori di influenza Le leghe metalliche hanno assunto una rilevante importanza poiché possiedono particolari caratteristiche che i metalli puri non hanno quali: notevole resistenza meccanica; resistenza alla corrosione; maggiore lavorabilità; migliore saldabilità… Tali proprietà sono influenzate sia dalla composizione della lega che dai trattamenti termici che essa ha subito  si può quindi affermare che è possibile ottenere la lega più adatta per qualsiasi particolare applicazione dosando bene i componenti e scegliendo in modo ottimale il trattamento termico a cui sottoporla.

LEGHE ANTIFRIZIONE Sono costituite da un componente duro (solitamente un composto Intermetallico) disperso in una massa più tenera. Impiegate nella costruzione di “cuscinetto di strisciamento” lubrificabili per alberi motore ed altri organi meccanici in movimento: a causa dello strisciamento continuato, la parte tenera si consuma più del componente duro, lasciando così cavità profonde qualche m che trattengono meglio il lubrificante. Tipici esempi: Bronzine [Cu ~ 80% Sn ~ 15% Pb ~ 1%]  Cu3Sn [Pb ~ 70% Sb ~ 15% Sn ~ 1%]  SnSb Metalli bianchi [Sn ~ 80% Cu ~ 8% Sb ~ 12%]  Cu3Sn / SnSb (hanno una resistenza meccanica di 10 – 15 kg / mm2)

LEGHE di ALLUMINIO L’alluminio entra in lega con molti metalli (rame,magnesio, manganese, silicio, nichel, zinco e titanio). Leghe con il rame: molto resilienti (resistenti agli urti) che, però, divengono fragili a basse temperature, specialmente nelle zone saldate. Leghe con il magnesio: non sono lavorabili a caldo, ma possono essere indurite a freddo e sono facilmente saldabili. Leghe con lo zinco:possono essere trattate termicamente e mostrano elevati carichi di rottura, simili a quelli degli acciai normali.

LEGHE di MAGNESIO LEGHE di NICHEL Il magnesio forma leghe con alluminio, zinco, zirconio e manganese, impiegate quando è richiesto un elevato rapporto resistenza / peso a temperature mediamente elevate, nonché resistenza alla corrosione. Essendo fragili, non vengono impiegate per parti strutturali, ma solo per parti accessorie (componenti di pompe e valvole). LEGHE di NICHEL Hanno caratteristiche meccaniche simili agli acciai a basso tenore di carbonio, con resistenza molto più elevata alle alte temperature ed alla corrosione.

LEGHE di RAME LEGHE di TITANIO Particolarmente impiegate quando sono richieste elevata conducibilità elettrica e resistenza alla corrosione ( bronzi e ottoni). LEGHE di TITANIO Sono molto resistenti, ma non alla corrosione. Non tutte sono impiegabili a basse temperature eccetto quelle in forma  , previa eliminazione di impurezze quali ossigeno, carbonio, ferro, azoto e idrogeno.

LEGHE FERRO - CARBONIO Sono miscele di ferro e carbonio in proporzioni variabili (  acciaio e ghisa). A seconda della struttura si possono suddividere in: Soluzioni solide  austenite Miscele meccaniche  ledeburite Veri e propri composti binari  cementite Le leghe principali che danno origine agli acciai ed alle ghise sono: CEMENTITE (C = 6,67%): carburo di ferro Fe3C magnetico per temperature inferiori a 215°C; AUSTENITE (C < 1,7%): soluzione solida stabile a T > 721°C, non magnetica, molto duttile; MARTENSITE (C = 1,7%): soluzione solida tipica di acciai con tempra ordinaria; LEDEBURITE (C = 4,2%): miscela di cementite e austenite; PERLITE (C = 0,9%): fini lamelle di ferrite e cementite.

LEGHE a MEMORIA DI FORMA Dette anche “materiali intelligenti”, sono caratterizzate dall’effetto MEMORIA DI FASE per cui esse sono capaci di riacquistare la forma primitiva se portate alla temperatura critica della fase genitrice. EFFETTO DI MEMORIA DI FASE A UNA VIA: la lega riacquista la forma originale e la mantiene indipendentemente da eventuali variazioni termiche A DUE VIE: una volta memorizzata sia la forma ad alta temperatura sia quella a bassa temperatura, può riacquistarle entrambe a seconda delle variazioni di temperatura Leghe Ni – Ti, Cu – Zn – Al, Cu – Al – Ni impiegate come materiali strutturali e funzionali in molti settori (dispositivi di ancoraggio e di fissaggio, giunzione di tubi, attuatori termomeccanici, relè elettrici, macchine termiche, ortopedia e ortodonzia).

GHISE ED ACCIAI

LA GHISA E’ una lega di ferro contenente carbonio Ghisa ed acciaio sono entrambe leghe formate da ferro e carbonio, con tenore in carbonio variabile (maggiore nelle ghise), oltre alla presenza di altri elementi che conferiscono particolari proprietà. LA GHISA E’ una lega di ferro contenente carbonio in percentuale maggiore dell’ 1,8 %. La sua struttura cristallina e le sue proprietà variano a seconda del tenore di carbonio e della presenza di elementi diversi quali silicio, cromo, molibdeno, manganese, alluminio e fosforo. E’ prodotta allo stato liquido degli altiforni contenuto massimo di carbonio del 6 % (le ghise con C < 2 % sono dette “ghise acciaiose”).

Le ghise sono impiegate principalmente nella produzione di acciaio (ghise per acciaio) e per la fabbricazione di numerosi manufatti (ghise per getti) previa raffinazione, correzione della composizione e trattamenti termici atti ad ottenere le caratteristiche desiderate.

GHISE PER ACCIAIO. Sono ricche di silicio e di fosforo che fungono da elementi termogeni (generano calore) durante la conversione. GHISE PER GETTI. Possono essere distinte in: ghise bianche: dure, fragili, non lavorabili con macchine utensili; la loro formazione è favorita dalla presenza di manganese e da un rapido raffreddamento (il carbonio si trova come cementite); ghise grigie o nere: tenere e lavorabili, la loro formazione è favorita dalla presenza di silicio e da un lento raffreddamento (la cementite si decompone originando ferro e carbonio liberi); ghise legate: aggiunte di altri elementi, mostrano la massima regolarità nella distribuzione del carbonio;

Ghise ottenute per trattamento termico: si suddividono a loro volta in ghise sferoidali e ghise malleabili. ghise sferoidali: la loro formazione è favorita dalla presenza di magnesio e nichel; la grafite liberata dalla decomposizione della cementite si separa sotto forma di noduli regolari; ghise malleabili: rappresentano un prodotto intermedio tra ghisa ed acciaio e si ottengono attraverso due metodi industriali: - metodo europeo: eliminazione superficiale del carbonio che rimane disperso nella massa sotto forma di noduli  “ghise a cuore bianco” (molto tenace e plastica) - metodo americano: il carbonio è presente sotto forma di grafite estremamente suddivisa  “ghisa a cuore nero”

Esistono poi le FERROLEGHE in cui alla ghisa vengono aggiunti altri elementi leganti come il silicio che conferisce resistenza alla corrosione acida o il cromo. Ulteriore variante è rappresentata dalle GHISE SPECIALI AD ALTA RESISTENZA impiegate per costruzioni meccaniche ed ottenute dosando opportunamente i tenori di carbonio, silicio e manganese, nonché sottoposte a particolari trattamenti termici al fine di favorire la formazione della perlite e l’affinazione della grana.

L’ACCIAIO Lega di ferro e carbonio con C < 1,8 % più altri elementi che conferiscono particolari caratteristiche. FABBRICAZIONE: si ottiene dalla conversione della ghisa negli altiforni, additivata di materiali scorificanti (calce e calcare) necessari per ottenere una scoria di determinata composizione, in funzione del processo voluto. Le fasi di fabbricazione sono le seguenti: affinazione ossidante; disossidazione; convogliamento della colata

FASE DI AFFINAZIONE OSSIDANTE: consiste nella decarburazione della ghisa fino ai limiti di concentrazione richiesti per ottenere precise caratteristiche dell’acciaio. La riduzione del tenore di carbonio si ottiene per ossidazione (con agenti ossidanti minerali o ossigeno o aria, a seconda dei vari processi industriali). Anche gli altri elementi diversi dal carbonio si ossidano, finendo così nella scoria (silicio, alluminio, vanadio, titanio, zirconio, piombo, zinco, manganese, calcio), mentre non vengono eliminati cobalto, nichel, cromo, rame, tungsteno, stagno, antimonio, e solo parzialmente zolfo, fosforo e lo stesso carbonio. Zolfo e fosforo vanno comunque allontanati il più possibile poiché esercitano un’azione dannosa (rendono il materiale finito molto più fragile):  defosforazione a basse temperature  desolforazione ad elevate temperature in ambiente basico

FASE DI DISOSSIDAZIONE: consiste nell’eliminazione dell’eccesso di ossigeno disciolto nel sistema. Si ottiene aggiungendo alla miscela silicio, alluminio e manganese (che hanno elevata affinità per l’ossigeno); gli ossidi che si formano nella massa metallica precipitano dal metallo fuso e si separano per decantazione. In questa fase si aggiungono anche altri elementi correttivi (vanadio, cromo e titanio) necessari per ottenere un acciaio finale di determinate caratteristiche. FASE DI CONVOGLIAMENTO DELLA COLATA NELLE SIVIERE (conteni metallici rivestiti internamente di materiale refrattario e muniti di un fondo richiudibile attraverso il quale il metallo viene colato nelle lingottiere).

CARATTERISTICHE PRINCIPALI Elevata resistenza meccanica a trazione ed a compressione, anche ad elevate temperature. Facilità di riduzione in macchine utensili nelle forme più diverse. Possibilità di saldatura ad alta precisione di vari pezzi. Limitata dilatazione termica, ottime malleabilità, duttilità e plasticità (capacità di subire deformazioni permanenti per azione di sforzi di trazione e di compressione). Temprabilità: capacità di acquistare una particolare resistenza meccanica, durezza e finezza della grana cristallina per effetto di un rapido raffreddamento dopo riscaldamento a temperatura elevata.

ACCIAI COMUNI (ACCIAI AL CARBONIO) Impiegati per costruzioni metalliche e navali sottoforma di laminati, profilati, lamiere e tubi. Si distinguono in base al contenuto di carbonio in: acciai extraduri C = 0,75 – 0,90 % acciai duri C = 0,50 – 0,75 % acciai semiduri C = 0,25 – 0,50 % acciai dolci C = 0,15 – 0,25 % acciai extradolci C < 0,15 % Generalmente contengono lo 0,2 – 1 % di manganese, lo 0,1 – 0,5 % di silicio e zolfo / fosforo in percentuale inferiore allo 0,03 – 0,05.

ACCIAI SPECIALI (ACCIAI LEGATI) Sono caratterizzati dalla presenza di particolari elementi che conferiscono loro particolari proprietà. Si distinguono in: acciai debolmente legati: ogni elemento (eccetto ferro e carbonio) è presente in quantità minore al 5 % acciai fortemente legati: almeno un elemento diverso dal ferro e dal carbonio è presente in quantità maggiore al 5 % CLASSICO ESEMPIO: l’ACCIAIO INOX 18/8 contiene lo 0,1 % di carbonio, l’8 % di nichel ed il 18 % di cromo

PROPRIETA’ CONFERITE AGLI ACCIAI DA PARTICOLARI ELEMENTI Le proprietà dell’acciaio dipendono sia dal numero e dalla percentuale degli elementi leganti sia dai trattamenti termici cui sono sottoposti. MANGANESE: facilita la tempra ed aumenta la durezza e la resistenza all’usura e alla rottura (gli acciai che contengono 0,25 – 15 % di manganese sono impiegati nella costruzione di pezzi che devono resistere agli urti (es: benne di escavatori) o che risultino difficilmente lavorabili (es: casseforti). NICHEL: aumenta la temprabilità, la resistenza (anche alla corrosione) e la durezza. CROMO: come il nichel, in quantità variabile (0,25 –30%), se superiore al 10% conferisce inossidabilità.

ULTERIORI TIPI DI ACCIAIO ACCIAI RAPIDI: contengono tungsteno (10–18%) che conferisce elevata resistenza alla rottura anche a temperature elevate (impiegato per la costruzione di utensili per la lavorazione ad alta velocità dei metalli). ACCIAI EXTRARAPIDI: contengono tungsteno (18– 19 %), cromo (4 – 7 %) e vanadio in tracce (il molibdeno è un ottimo sostituto del tungsteno e del cromo). ACCIAI AL SILICIO: presentano minima deformabilità con esaltazione delle caratteristiche magnetiche (impiegati quindi per costruzioni elettriche ed elettromeccaniche come trasformatori, motori, alternatori…). ACCIAI PER MOLLE: a base di silicio e manganese.

ACCIAI PARTICOLARI ACCIAI “ maraging”: sono acciai molto tenaci a basso tenore di carbonio legato con elementi diversi quali nichel, titanio, alluminio, molibdeno e cromo. ACCIAI PATINABILI: contenenti vanadio, sotto l’azione delle intemperie consentono la formazione di una patina resistente che li rende utile alla verniciatura ( hanno tipicamente una struttura di colore marrone scuro).

NORME UNI PER L’IDENTIFICAZIONE DEGLI ACCIAI Secondo la normativa UNI gli acciai vengono distinti in due categorie diverse, ognuna avente una propria identificazione: ACCIAI NON TRATTABILI TERMICAMENTE: vengono impiegati tali e quali sotto forma di lamiere e trafilati. Indicati con il simbolo chimico del ferro Fe seguito da un numero che indica il carico di rottura a trazione (es: Fe 410 indica un acciaio non trattabile termicamente con carico di rottura pari a 410 N/ mm2) oppure seguito da un numero che ne indica l’impiego (es: Fe D01 indica un acciaio in nastri adatto per lavorazione con deformazione a freddo).

(es: C50 indica un acciaio non legato contenente lo 0,5 % di carbonio) ACCIAI TRATTABILI TERMICAMENTE (acciai non legati, debolmente legati e legati) ACCIAI NON LEGATI: indicati dal simbolo del carbonio seguito dalla sua percentuale moltiplicata per 100 (es: C50 indica un acciaio non legato contenente lo 0,5 % di carbonio) ACCIAI DEBOLMENTE LEGATI: indicati dal simbolo del carbonio seguito dalla sua percentuale più i simboli degli altri elementi costituenti seguiti da numeri che ne indicano la quantità percentuale