metalli e leghe: tecnologia meccanica

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Data:	25.01.2006
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RAME
Fonde a 1083° C, non è adatto alla fabbricazione di getti, allo stato liquido non è fluido, durante la solidificazione da luogo a porosità. Miglior conduttore elettrico e conduttività termica dopo l’argento. Può formare leghe come bronzi, ottoni, alpacche, cupronichel, cuproallumini.
Metallo nobile che presenta elevata resistenza alla corrosione; esposto all’aria umida si ricopre di uno strato di carbonato basico di colore verde(“verde rame), alle alte temperature si ricopre di uno strato di ossido bruno chiaro che rallenta il processo di ossidazione man mano che aumenta lo spessore. Si presta bene a tutte le lavorazioni plastiche, a caldo e a freddo, in modo particolare alla trafilatura e alla laminazione. Presenta caratteristiche meccaniche discrete alle basse temperature, ottima attitudine alla giunzione sia per brasatura che per saldatura. È debolmente diamagnetico, si sfrutta questa proprietà nella robotica, informatica, avionica, ecc. Facilità di elettrodeposizione (argentatura, cromatura, nichelatura,stagnatura) consente la produz. di pezzi per via elettrolitica e il rivestimento protettivo di altri materiali metallici. Si lascia smaltare perfettamente, proprietà utilizzata negli avvolgimenti elettrici e per scopi ornamentali.
Viene fuso insieme al fondente (carbonato di calcio). La raffinazione termica avviene in forni a riverbero, carica costituita da rame e sabbia silicea, il prodotto viene colato in placche da laminazione, lingotti da estrusione, pani da fonderia.
LEGHE DI RAME
Sono le leghe aventi come costituente principale il rame in quantità non inferiore al 50 %. Si distinguono in leghe da lavorazione plastica e leghe da fonderia.
Le leghe da LAV. PLASTICHE in relazione allo stato di fornitura si classificano in:
- leghe allo stato grezzo di fusione; sono sottoposte a deformazione plastica a caldo e a freddo, vengono designate con la sigla P seguito da un trattino orizzontale, poi simbolo rame (Cu) e dall’elemento alligante preponderante e dal numero che ne indica la percentuale nominale.
Es. P – Cu Zn 28 Sn 1 UNI 600
- leghe allo stato di semilavorati.
si suddividono secondo la tecnica di ottenimento nelle categorie contraddistinte dalle sigle Pl (laminati), Pe (estrusi), Pf (fucinati), Ps (stampati) e Pt(trafilati).
Es. Ps – Cu Zn 40 UNI 4891
Le leghe di rame da lav. Plastica si suddividono in tipi, caratterizzati dagli alliganti aggiunti al rame, sono i seguenti:
Ottoni: a) ottoni binari: leghe rame contenenti come alligante solo lo zinco;
b) ottoni speciali: leghe rame-zinco contenenti altri elementi alliganti in tenori non preponderanti rispetto allo zinco, ma suffic. a impartire alla lega caratt. o strutture particolari.
Alpacche: leghe rame – zinco - nichel, con tenore Zn > 10% e tenore di nichel suffic. ad impartire alla lega determinate caratt. meccaniche, fisiche e di colore.
Bronzi: a) bronzi binari: leghe rame contenenti come alligante solo lo stagno;
b) bronzi speciali: leghe rame stagno contenenti altri alliganti atti. a impartire alla lega caratt. o strutture particolari.
Cuproallumini: leghe rame alluminio, con o senza altri alliganti, in tenori comunque non preponderanti rispetto all’Alluminio.
Cupronichel: lega rame nichel, con o senza altri alliganti, in tenori comunque non preponderanti rispetto al Nichel.
Cuproleghe speciali: leghe di rame contenenti uno o più alliganti fondamentali, atti a impartire alla lega caratt. o strutture particolari.
I semilavorato sono forniti in uno stato fisico specificato da un simbolo:
R (ricotto) H (incrudito) T (temprato) B (bonificato) V (rinvenuto) D (normalizzato) A (invecchiato artific.), i simboli vanno messi alla fine della designazione della lega, esempio P – Cu Zn 10 R UNI 4899.
LEGHE DI RAME DA FONDERIA
Si classificano in relazione allo stato di fornitura in: a)leghe allo stato di pani e b) leghe allo stato di getti.
Sono contraddistinte le prime dalla sigla G anteposta alla designazione della lega.
Esempio G – Cu Sn 10 UNI 7013
Le seconde (in pani) sono distinte secondo la tecnica di ottenimento:
Gs: leghe sotto forma di getti colati in sabbia;
Gc: leghe sotto forma di getti colati e fatti solidificare in una forma permanente senza applicare forze esterne;
Gd: leghe sotto forma di getti colati a pressione e fatti solidificare sotto l’azione di una pressione esterna;
Gcf: leghe sotto forma di getti colati in centrifuga;
Gct: leghe sotto forma di getti continui o semicontinui.
Es. Gs – Cu Sn 12 UNI 7013
Gc – Cu Zn 40 UNI 5033.
Cuproallumini: leghe dette bronzi all’alluminio, contengono come elementi fondamentali il rame e l’alluminio, come alliganti il ferro, nichel, manganese, silicio per migliorare le proprietà della lega. Caratteristiche fondamentali elevata resist. Meccanica, resistenza alla corrosione, alla cavitazione e all’erosione, lavorabilità plastica a caldo e a freddo, la saldabilità, la resist. a fatica in ambiente corrosiv. Es. P – Cu Al 5; G – Cu Al 8 Fe 3.
Cuproleghe speciali: Bronzi al berillio. Leghe rame e berillio (2 – 2,5%) con o senza elementi alliganti (cobalto 0,25%, nichel 0,35%). Elevate caratteristiche meccaniche, sono impiegate per parti che richiedono buona deformabilità ed une elevata elasticità, discreta resist. meccanica, buona resist. alla corrosione, ottima conducibilità elettrica. Per via del costo elevato del berillio il loro utilizzo è limitato agli organi molto sollecitati: ingranaggi, pompe, parti di valvolo di motori di aerei, molle, diaframmi, strumenti chirurgici., collettori per dinamo.
Bronzi al silicio: leghe per ingegneria chimica, meccanica, marittima, buona resist. alla corrosione. Es. Cu – Si 3 Mn 1 UNI 2528.
Alpacche: Sono leghe di Cu-Ni-Zn e di Cu-Ni-Zn-Pb. Sono adatte per laminati a freddo, barre, profilati, tubi, fili, ottenuti per lavorazioni plastiche. Note con nomi diversi (german – Silver, nichel–silver, argentana,), sono duttili e malleabili a freddo, e in assenza di impurità possono essere lavorate a caldo. Hanno coloro bianco argenteo e sono facilmente lucidabili e argentabili. Le applicazioni sono in genere navali e per impianti a vapore (bronzine, viti senza fine, steli di veli, saracinesche). L’aggiunta di piombo in percentuali variabili da 0,5 % a 10 % alle leghe CuNiZn incrementa le caratteristiche antiusura ed autolubrificanti, oltre a aumentare la lavorabilità all’utensile, Le alpacche con il 7 – 8% di Piombo sono usate nella produzione di pezzi di precisione stampati a caldo che richiedono notevoli lavorazioni alle macchine utensili.
METALLI E LEGHE
FERRO E LEGHE.
Il ferro è l’elemento chimico puro. Si divide in ferro Armco, Elettrolitico e Carbonilico.
Il minerale di ferro è la sostanza inorganica naturale di definita costituzione chimica che allo stato solido si suddivide in minerali poveri, medi e ricchi di ferro. Le classi mineralogiche cui appartengono sono in ordine di titolo teorico di ferro: Magnetite, Ematite, Limonite, Siderite.
Le operazioni cui sono soggetti i minerali provenienti dalla miniera sono:
la frantumazione, la vagliatura, l’omogeneizzazione, l’arricchimento, l’agglomerazione.
PRODUZIONE DELL’ACCIAIO.
Per produrre l’acciaio occorrono siviere e lingottiere. L’acciaio può essere prodotto con processi diretti (ottengono acciaio direttamente dal minerale), semindiretti (ottengono dal minerale un ferro preridotto, contenente 80-90% di ferro) e indiretti (attuali e tradizionali metodi che dalla riduzione gassosa del minerale all’interno dell’altoforno ottengono ghisa greggia).
Altoforno
E’ l’apparecchio destinato alla fabbricazione della ghisa greggia. Sono costituiti da una corazza di acciaio di cui parte interna è costituita da refrattario con protezione antiusura, dalla bocca dove avviene il caricamento, dal tino, ventrew, sacca e crogiuolo, il tutto raffreddato da cassette di raffreddamento alimentate dal toro d’acqua. Nel crogiuolo si ha la rigola della ghisa e tra l’altro il foro di uscita della loppa.
Esso è alimentato con materiale solido caricato a strati alternati e con il vento.
Il materiale solido è costituito da: dal minerale frantumato, dal materiale agglomerato autofondente, dal carbon coke, dal fondente (se con ganga acida fondente basico e viceversa).
Il vento è aria riscaldata a 1200°C immessa ad una velocità di 200m/s a 10KPa può essere corretto con acqua osiigeno, idrocarburi allo scopo di impiegare meno combustibile.
Se la ghisa prodotta è destinata alla fonderia viene solidificata in Pani se invece è destinata alla produzione dell’acciaio è conservata liquida nei Mescolatori riscaldati con gas d’altoforno o elettricamente.
Il funzionamento è dovuto ad una massa gassosa ascendente e ad una massa solida discendente. Le reazioni che avvengono tra le due masse dipendono dalla temperatura variabile da zona a zona all’interno dell’altoforno.
Prodotti dell’altoforno
Ghise greggie che sono leghe ferro-carbonio C>2.06% all’interno del quale si possono trovare altri elementi di lega quali manganese, fosforo, silicio, cromo, rame, nichel ecc.
La designazione dele ghise greggie comprende nell’ordine:
- La denominazione Ghisa ed il simbolo iniziale Fe, il simbolo del carbonio C seguito dalla sua percentuale
- I simboli degli elementi Mn, Si, P seguiti dal valore max della propria percentuale
- il riferimento alla tabella UNI 7856 (ghise unificate)
Le scorie
Sono l’insieme della ganga di minerale, delle ceneri di combustibile, e del fondente. Si suddividono in loppe lunghe, utilizzate per la fabbricazione di mattonelle, e blocchi per la pavimentazione stradale, di lana di loppa per coibentazioni, e di loppa corta, utilizzata per la fabbricazione di cemento d’altoforno.
Altro prodotto sottoforma di scoria è il GAS d’altoforno esso ha un basso potere calorifico inferiore e bisogna depolverarizzarlo per eliminare polveri in esso contenuto, ma è comunque utilizzato per costituire il vento d’altoforno e per alimentare la centrale termoelettrica.
L’ACCIAIO.
Elaborazione dell’acciaio
Dalla Ghisa greggia si ricavano: Ghisa ed Acciaio.
Per ottenere Acciaio si passa attraverso l’eleborazione delle seguenti fasi: Fusione, Affinazione (dove avviene l’eliminazione delle sostanze estranee all’acciaio), Disossidazione (processo per cui si elimina l’ossigeno in eccesso), Solidificazione.
Essi si classificano in Tradizionali e Speciali.
L’Acciaio è un prodotto metallico il cui elemento predominante è il ferro il cui tenore di carbonio non eccede il 2.06%.Si ricava dalla ghisa greggia con affinazione, si eliminano o si riducono entro determinati tenori elementi (metallici e non) ed eventualmente aggiungendo elementi di alligazione per esaltare determinate caratteristiche.
Le principali operazioni per con le quali avviene l’affinazione sono le seguenti:
Desilicizzazione, Decarburazione, Defosforizzazione, Desolforazione, Disossidazione, Degassificazione, Scorificazione.
Procedimento BESSEMER
Il convertitore Bessemer è un recipiente cilindrico oscillante intorno ad un asse orizzontale per permettere le operazioni di carico-scarico; e con un rivestimento refrattario acido costituito da quarzo, sabbia e argilla. E’ esclusa da questo procedimento la ghisa Fosforosa.
Il controllo di tutto il processo di conversione si basa sull’osservazione della luminosità dei fumi e dei gas che escono dalla bocca del convertitore (telepirometri ottici in passato dal capoforno).
Attraverso il processo Bessemer si ottiene un acciaio caratterizzato da valori relativamente elevati di zolfo, fosforo ed azoto ( quest’ultimo proveniente dal vento) solitamente è un processo intermedio in quanto la Defosforazione avviene in seguito in un forno Martin basico dove inoltre sarà effettuata la titolazione e l’aggiunta di elementi di alligazione.
Procedimento THOMAS
Permette di defosforare la ghisa proveniente dai convertitori Bessemer. Esso si differenzia dal Bessemer per la natura del rivestimento interno costituito da dolomite calcinata e catrame quindi basico. Con tale stratagemma si è reso possibile l’aggiunta di ossido calcio nella carica del forno in grado di formare una scoria basica capace di fissare i composti e quindi di impedire al fosforo di ricombinarsi con il composto.
Il procedimento THOMAS Migliorato aggiunge al procedimento classico la possibilità di ottenere un acciaio povero di azoto.
Procedimento MARTIN
Procedimento in via di estinzione ha differenze sostanziali rispetto agli altri due:
- possono essere trattate ghise fosforose o silicee quindi può avere suola acida o basica;
- ha azione ossidante lenta di anche 14h e non i 30min del forno Bessemer, ne consegue la possibilità di avere più sotto controllo tutto il processo agendo sulla composizione del bagno o sulla combustione;
- utilizza rottami, tratta grandi quantitativi.
Procedimento a FORNO ELETTRICO
Funzionano ad arco o ad induzione. Inizialmente il loro utilizzo era destinato alla produzione dellìacciaio attraverso l’utilizzazione di rottami selezionati e successivamente il loro impiego si è esteso alla produzione di acciai speciali o all’affinazione di acciai Bessemer, Thomas, Martin.
Il loro pregio è quello di raggiungere elevate temperature che conservate costanti per un tempo sufficiente consentono il completamento delle operazioni di affinazione in un ambiente scarsamente ossidante.
Procedimento LD
Consiste nel far divenire la ghisa in acciaio mediante un getto di ossigeno puro insufflato dall’alto. Il convertitore è analogo al Bessemer ed al Thomas ma con fondo chiuso.
Presenta i seguenti vantaggi:
- aumento della produzione oraria degli impianti;
- diminuzione delle spese di installazione ed esercizio;
- adattabilità alle materie prime disponibili;
- consente di ottenere un acciaio di qualità superiore con una bassissima presenza di azoto in quanto nel suo interno non sono presenti combustibili.
COLATA DELL’ACCIAIO.
Colata in lingotti
Per questa operazione occorrono Siviere (recipienti in lamiera e refrattario che serve a trasportare l’acciaio dal convertitore alla zona di colata) il versamento dell’accaio fuso in lingottiera si dice Diretto se avviene dall’alto e in Sorgente se effettuato dal basso.
Le lingottiere sono recipienti che hanno la funzione di raccogliere il materiale e di trasformarlo in lingotti che vengono estratti attraverso un pistone e da cui vengono eliminati il fondo e la testa che costituiscono le cadute. Prima delle successive lavorazioni viene effettuato lo scriccaggio, operazione che elimina la crosta superficiale che ha la struttura a grano grosso e quindi ricca di imperfezioni. Per questa operazione si impiegano le scroccatrici (grosse mole con abrasivo allo zirconio).
Colata continua
Il procedimento moderno di solidificazione è la colata continua. È basato sul principio della lingottiera senza fondo raffreddata dalla quale esce il prodotto solidificato esternamente, questo prodotto viene tagliato ad intervalli regolari e evacuato in brame (se destinate al laminatoio), barre o billette .Aumenta anche del 10% la resa del procedimento poiché non si hanno cadute sul materiale finito.
Acciai effervescenti e non effervescenti
Secondo il grado di disossidazione (UNI 5746) dopo la fase di affinazione per regolare il tenore di ossigeno presente si distinguono in:
acciai effervescenti quando il grado di disossidazione è nullo o molto limitato per cui in lingottiera il metallo efferve possono essere ad effervescenza libera (formazione di uno spessore di metallo puro e compatto che presenta soffiature superficiali oppure ad effervescenza bloccata (con caratteristiche molto simili a quelli ad effervescenza libera ma più controllati dal punto di vista del processo tecnologico).
Questi acciai presentono elevata plasticità a freddo e vengono impiegati per lamiere, bulloneria ricalcata ecc. ma hanno il difetto di avere caratteristiche meccaniche poco uniformi e non costanti nel tempo;
acciai non effervescenti non sono completamente disossidati e si dividono in semicalmati, calmati e calmati a grano fine (con aggiunta di elementi quali alluminio e titanio che diminuiscono la misura del grano). Gli acciai calmati sono da costruzione, da bonifica, da nitrurazione da utensili.
DESIGNAZIONE CONVENZIONALE DEGLIA ACCIAI
Secondo la tabella UNI EU 27 gli acciai si dividono in due gruppi principali:
Acciai del primo gruppo acciai designati partendo dalle loro caratteristiche meccaniche e acciai designati dall’impiego.
Accaio designati in base al carico minimo di rottura
FE 430 UNI 6683-84
FE : acciaio del primo gruppo
430 : designato in base al carico minimo di rottura 430 N/mm^2
UNI 6683-84 : riferimento alla specifica norma UNI. Gli ultimi due numeri indicano l'anno di pubblicazione della norma
Acciaio designati in base al carico minimo di snervamento
FE E 430 UNI 6683-84
FE : acciaio del primo gruppo
E: identifical'acciaio designato in base al carico minimo di snervamento
430: carico minimo di snervamento 430 N/mm^2
UNI 6683-84 : riferimento alla specifica norma UNI.
Acciai designati in base a impieghi particolari
FE D 02
FE: acciaio del primo gruppo
D : identifica un acciaio particolarmente adatto alla deformazione a freddo
02 : grado di attitudine alla deformazione a freddo
Acciai del secondo gruppo acciai designati partendo dalla loro composizione chimica.
Acciaio non legati
C 18 UNI 7846-78
C : identifica un acciaio del secondo gruppo non legato
18 : definisce il tenore di carbonio presente in lega: 18/100 = 0.18 %
UNI 7846-78 : riferimenti alla specifica norma UNI
Acciai debolmente legati: altri elementi con percentuali minori del 5%
30 Cr AI Mo 6 12 10
30: definisce il tenore di carbonio presente in lega: 30/100 = 0.3%
Cr 6 : presenza in lega di Cromo; la percentuale si definisce dividendo 6 per 4, che è il fattore del Cromo: 6/4 = 1.5%
AL 12 : presenza in lega di Alluminio; la percentuale si definisce dividendo 12 per 10, che è il fattore dell'alluminio: 12/10 = 1.2%
Mo 10 : presenza in lega Molibdeno; la percentuale si definisce dividendo 10 per10, che è il fattore del Molibdeno: 10/10 = 1%
Acciai legati: contengono altri elementi in lega dei quali almeno uno è uguale o superiore al 5%
X 15 Cr Ni Mo 12 08 05 UNI 6920-71
X : identifica un acciao del secondo gruppo legato
15 : definisce il tenore di carbonio presente in lega: 15/100 = 0.15%
Cr 12 : presenza in lega di Cromo al 12%
Ni 08 : presenza in lega di Nikel al 8%
Mo 05 : presenza in lega di Molibdeno al 5%
UNI 6920-71 : riferimento alla specifica norma UNI
EFFETTI DEGLI ELEMENTI DI ALLIGAZIONE NEGLI ACCIAI
Carbonio
Elemento base contenuto negli acciai in forma di cementite il suo contenuto max in un acciaio è del 2.06% gli acciai da carbocementazione ne contengono meno dello 0.2% quelli da bonifica da 0.2 a 0.6% quelli da utensili da 0.5 a 2%.
Con percentuali superiori allo 0.2% diminuisce la lavorabilità all’utensile, la saldabilità, la tenacità, la plasticità a freddo ecc. aumenta però la durezza, la resistenza, la temprabilità ecc.
Nichel - Negli acciai legati da costruzione è presente dallo 0.7 al 5% negli inox fino al 25%. Accompagnato da Cromo Molibdeno. Ha i seguenti effetti:
aumento della durezza allo stato ricotto o bonificato, aumenta la resistenza meccanica, migliora la resilienza anche a basse temperature, aumenta la temprabilità (temperature di tempra più basse), aumenta il limite di elasticità rispetto al carico di rottura, migliora la resistenza alla corrosione ed all’ossidazione peggiora la lavorabilità all’utensile.
Cromo - Negli acciai legati da costruzione è presente dallo 0.5 al 5% negli inox fino al 25%. Può essere anche unico elemento di alligazione.
I suoi effetti sono simile al Nichel con la differenza che allo stato ricotto aumenta notevolmente la fragilità pertanto questi acciai dovranno essere tassativamente bonificati (tempra+rinvenimento) inoltre migliora la resistenza meccanica alle alte temperature. Negli acciai ad alto tenore di carbonio il cromo migliora la resistenza all’usura mentre in quelli a basso tenore di C. aumenta la resistenza alla corrosione.
Molibdeno
Negli acciai da costruzione è presente dallo 0.2 al 1.5% negli inox fino al 2.5% (aumento della resistenza alla corrosione). Possono ad esso essere imputati: l’aumento della resistenza meccanica, della lavorabilità all’utensile, della penetrazione di tempra, della resistenza all’usura. Riduce la fragilità di rinvenimento.
Vanadio - Non si impiega mai da solo e viene impiegato quasi esclusivamente in acciai da utensili poiché forma idrocarburi che aumentano la durezza a caldo. Allo stato bonificato eleva le caratteristiche meccaniche ed il limite di elasticità.
Manganese - E’ sempre presente negli acciai fino allo 0.8% per la sua azione disossidante e fino al 2% indurisce l’acciaio senza pregiudicare la resilienza, aumenta la penetrazione di tempra, ha buona influenza sulla saldabilità e fucinabilità ma ne aumenta la fragilità di rinvenimento ed ha tendenza al surriscaldamento. Gli acciai ad alto tenore di M. sono particolarmente resistenti all’usura.
Silicio - E’ sempre presente negli acciai fino allo 0.3% per la sua azione disossidante (quindi aumenta la resistenza all’ossidazione a caldo) e fino al 2% aumenta la resistenza meccanica e soprattutto del limite di elasticità.
Cobalto - E’ utilizzato negli acciai da utensili per il fatto che esalta la resistenza al rinvenimento e la durezza a caldo. Negli acciai super rapidi ariva fino al 10%. E’ l’unico elemento che riduce la temprabilità.
Wolframio - Utilizzato per acciai utensili e per pezzi che resistono ad alte temperature. Elemento fondamentale acciai rapidi, notevole resistenza al rinvenimento e favorisce elevata durezza ad alte temperature.
Titanio - Migliora saldabilità e resistenza corrosione.
Alluminio - Per Acciai da nitrurazione, favorisce assorbimento azoto, energico disossidante.
Zolfo – impurezza o migliora lavorabilità all’utensile
Piombo - migliora lavorabilità all’utensile
Fosforo – impurezza, tollerato solo in piccole perc. Aumenta resist. Corrosione, lavorabilità utensile, diminuisce tenacia acciaio.
Azoto – aumenta durezza, ma rende fragile.
Idrogeno – Impurezza rende fragile acciaio e riduce resilienza.
Ossigeno – Influisce negativamente su proprietà.
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