I metalli e leghe metalliche (Ghisa, acciaio e leghe ferrose)

Metalli= Elementi chimici, generalmente solidi (ad eccezione del mercurio), caratterizzati da una struttura compatta, lucentezza, peso specifico generalmente elevato, capacità di trasmettere bene il calore e l'elettricità , essendo dei buoni conduttori termici ed elettrici,  durezza notevole (salvo alcuni come sodio e potassio, che si possono tagliare con un coltello). Il reticolo cristallino dei metalli è formato da atomi disposti secondo una struttura cubica a corpo centrato o  cubica a facce centrate o esagonale compatta. Nello stato metallico gli elettroni periferici dei singoli atomi non sono, come di solito, uniti singolarmente stabilmente a ciascuno di essi, ma possono muoversi liberamente all'interno del reticolo. Questo particolare assetto elettronico spiega la conduttività elettrica e termica, il potere riflettente, la duttilità , la malleabilità . Lo stato metallico spiega anche la facilità con cui si formano leghe. Chimicamente i metalli si combinano con l'ossigeno per dare ossidi che, reagendo con acqua e addizionandola , costituiscono gli idrossidi o basi.
Il processo di produzione delle leghe ferrose partono sempre dalla fusione del minerale ferroso e carbonio in percentuale maggiore di 2.06% ottenendo così la ghisa grigia negli altiforni, nel campo della siderurgia industriale. In linea di massima l'altoforno è costituito  dalla bocca di carica, dal tino; dal ventre: in questo punto il materiale inizia a fondere ed il ferro assorbe il carbonio con il processo della carburazione trasformandosi in ghisa; dalla sacca; dal crogiolo; dal toro e complesso portavento. Come detto il prodotto che fuoriesce dall'altoforno è la ghisa, in percentuale maggiore del 4.5% di carbonio detta ghisa di prima fusione. La ghisa di seconda fusione è creata aggiungendo alla ghisa di prima fusione rottami di ferro; successivamente si raggiunge il tenore di carbonio voluto soffiando ossigeno che è in grado di bruciare il carbonio in eccesso. A secondo della disposizione chimica del carbonio  si determinano due tipi di ghisa. Ghisa bianca e ghisa grigia. La classificazione delle ghisa avviene secondo la normativa UNI che prevede per ogni tipo di ghisa una sigla.
Classificazione
delle ghise
G
Ghisa in genere e nello specifico quella grigia
Gh
Per impieghi automobilistici
GS     GJS
Sferoidale
GMB
Ghisa malleabile a cuore bianco
GMN
Ghisa malleabile a cuore nero
Proprietà delle ghise
Punto di fusione
Bianca=1400°   Grigia=1150°
Resistenza a trazione
100400 N/mm
Resistenza a compressione
400900 N/mm
Durezza Brinell
150400 HB
Resilienza
Praticamente nullo
Allungamento
Praticamente nullo
Resistenza alla corrosione
Buona e aumenta con il tenore di carbonio
Il processo siderurgico utilizzato per produrre l'acciaio si chiama "affinazione della ghisa" che consiste nell'introdurre in un forno detto "convertitore", tipo Martin-Siemens o Bessemer, il quale ha lo scopo di purificare l'acciaio da elementi nocivi e aggiungendo altri metalli. Le fasi di purificazione sono: Desilicizzazione, decarburazione, desolforazione, disossidazione, degassificazione. Gli acciai sono leghe ferro-carbonio che contengono carbonio  dallo 0,008% al 2.06%. Per le sue proprietà il ferro (Fe) non trova utilizzo allo stato puro ed il comune ferro contiene sempre una minima parte di carbonio. Puro trova applicazioni solo in elettrotecnica.
Proprietà del ferro
Punto di fusione
~
1535° C
Massa volumica
7870 Kg/m
Resistenza a trazione
150300 N/mm
Durezza Brinell
4590 HB
Allungamento
46-60%
Gli acciai possono essere: semplici= solo ferro e carbonio o speciali= oltre al ferro e carbonio contiene altri elementi alliganti, in percentuali variabili. Gli acciai sono leghe sempre plastiche a caldo, cioè fucinabili, a differenza delle ghise. In base al tasso di carbonio gli acciai si dividono in: extra dolci (gli acciai dolci sono i più comuni e meno pregiati)= con tenore di carbonio compreso tra lo 0,05% e lo 0,15%; dolci:= carbonio compreso tra lo 0,15% e lo 0,25% semidolci= carbonio compreso tra lo 0,25% e lo 0,40%; semiduri= carbonio tra lo 0,40% e lo 0,60%; duri= carbonio tra lo 0,60% e lo 0,70%; durissimi= carbonio tra lo 0,70% e lo 0,80%; extraduri= carbonio tra lo 0,80% e lo 0,85%. Nozioni generali sugli acciai QUI .pdf
Acciai
1° gruppo=caratteristiche meccaniche e all'impiego
2° gruppo=composizione chimica
Con il carico unitario di rottura.
Fe430 UNI 6683-84
Fe=acciaio del 1° gruppo.
430=carico minimo di rottura 430 N/mm.
*
UNI 6683-84= specifica norma UNI
 
*=N/mm è la resistenza a trazione=ogni mm, in questo caso, supporta 43 Kg circa
 
 
Con il carico unitario di snervamento.
Fe E430 UNI 6683-84
Fe=acciaio del 1° gruppo.
 E=carico minimo di snervamento.
430=carico minimo si snervamento 430 N/mm.
UNI 6683-84= specifica norma UNI
 
 
 
 
Con il carico unitario all'impiego particolare.
FeD02
Fe=acciaio 1° gruppo.
D= acciaio adatto alla deformazione a freddo.
02= grado di attitudine alla deformazione a freddo
 
 
 
 
 
 
Non legato
C18 UNI 7846-78
C=acciaio del 2° gruppo non legato.
18=tenore di carbonio presente in lega:18/100=0.18%
UNI 7846-78= specifica norma UNI
 
 
 
 
 
 
Debolmente legato
30CrAlMo6 12 10
30=tenore di carbonio presente in lega:30/100=0.3% Cr6= presenza di cromo, la percentuale si definisce dividendo 6 per 4, che è il fattore del cromo, 6/4=1.5%. Al12=presenza di alluminio, la percentuale si definisce dividendo 12 per il fattore 10, 12/10=1.2%. Mo10=presenza di molibdeno, la percentuale si definisce dividendo 10 per il fattore 10, 10/10=1%.
Legati
X15CrNiMo120805 UNI 6920-71
X=acciaio del 2° gruppo legato.
15=tenore di carbonio presente in lega:15/100=0.15% Cr12=presenza di cromo al 12%. Ni08=presenza di nichel al 8%. Mo05=presenza di molibdeno al 5%. UNI 6920-71=specifica norma UNI
 
 
 
 
Fattori di divisione per acciai debolmente legati
Simboli
Elementi chimici
Fattori
Co
Cr
Mn
Ni
Si
W
Cobalto
Cromo
Manganese
Nichel
Silicio
Wolframio
4
Al
Se
Cu
Mo
Nb
Pb
Ta
Ti
V
Zr
Alluminio
Berillio
Rame
Molibdeno
Niobio
Piombo
Tantalio
Titanio
Vanadio
Zirconio
10
N
P
S
Azoto
Fosforo
Zolfo
100
B
Boro
1000
Altri materiali adatti ad una lavorazione su macchine utensili sono i "metalli non ferrosi" (I metalli ferrosi sono appunto ferrosi in quanto hanno una componente base di carbonio, mentre i metalli non ferrosi sono privi di carbonio). Il rame e le sue leghe, e l'alluminio. Le leghe del rame sono il bronzo e l'ottone. Il bronzo può essere: comune= con solo rame e stagno;  speciale= oltre al rame e stagno contengono altri elementi per migliorare le caratteristiche meccaniche e tecnologiche. L'ottone= è una lega di rame e zinco ma possono contenere altri metalli, come il piombo. L'alluminio= elemento usato raramente allo stato puro, mentre viene impiegato in lega con: manganese e magnesio= per la realizzazione di lattine; con magnesio e  silicio= per la costruzione di porte e finestre; rame e zinco= per migliorare la resistenza meccanica; litio= per ottenere leghe leggere da utilizzare nel campo aeronautico. Qualunque sia la lega, l'alluminio sarà sempre maggiore al 90% e dette leghe vengono chiamate "leghe leggere" perché hanno una massa volumica inferiore a 300 Kg/m. Altri materiali utilizzati nelle costruzioni meccaniche sono: manganese, cromo, nichel, magnesio, piombo, titanio, stagno, zinco.