Scritto da Martin Ahner
   
Volete capire come sono strutturati i metalli e quali sono gli aspetti fondamentali della produzione del ferro? 

In questa sezione scoprirete che cosa si intende per materiale e perché la scienza e tecnologia dei materiali è così importante. Analizzerete passo dopo passo la struttura dei metalli, vedrete come l’aggregazione degli atomi porta alla formazione del reticolo cristallino e come da questo deriva la microstruttura del materiale. Approfondirete inoltre le principali proprietà dei metalli. Infine, seguirete il processo di produzione della ghisa e di fabbricazione dell’acciaio, evidenziando gli aspetti essenziali da considerare nelle diverse fasi del processo.

Classificazione dei materiali

I materiali possono essere classificati in metalli e non metalli. Acciaio e ghisa sono tra i materiali più utilizzati in tutto il mondo.

La tecnologia dei materiali e la sua importanza

L’impiego di un determinato materiale dipende dalle sue proprietà. Queste possono essere suddivise in diverse categorie.

Affinché sia possibile classificare i materiali in differenti categorie e descriverne le proprietà, si ricorre a vari metodi scientifici propri della tecnologia dei materiali.

La tecnologia dei materiali si occupa della produzione, dell'impiego e dello studio dei materiali e delle loro proprietà. Essa consente quindi di utilizzare correttamente i materiali, di svilupparne di nuovi e di migliorare quelli esistenti.

La conoscenza della struttura interna dei materiali è un prerequisito per l'analisi delle loro proprietà. Solo conoscendo i componenti che costituiscono un materiale e come questi interagiscono tra loro è possibile ricavare nuove informazioni per un ulteriore sviluppo.

I metalli al microscopio

Le cariche positive degli atomi di metallo sono sempre disposte a distanze regolari e formano il reticolo cristallino. Gli elettroni, carichi negativamente, vengono ceduti e circondano il reticolo cristallino sotto forma della cosiddetta nube di elettroni. Gli elettroni possono muoversi liberamente all'interno della nube, ma non possono lasciarla.

L'attrazione tra cariche positive e negative crea un forte legame metallico. Questo assicura una coesione estremamente solida tra gli atomi metallici nel reticolo cristallino e quindi la resistenza del metallo.

Riepilogo sui materiali

Sapete ora che i materiali hanno da sempre svolto un ruolo fondamentale per l'umanità e hanno caratterizzato epoche storiche e culture. Avete appreso che i materiali si classificano in metalli e non metalli, ciascuno con proprietà specifiche. 

Avete inoltre appreso che la scienza e tecnologia dei materiali studia le proprietà dei materiali al fine di svilupparne di nuovi e migliorare quelli esistenti. Avete infine visto che i metalli sono costituiti dalla microstruttura, dai reticoli cristallini e dagli atomi metallici: la loro composizione determina le proprietà metalliche.

Struttura dei metalli

Vediamo ora nel dettaglio la struttura dei metalli e le loro proprietà. Apprenderete innanzitutto come i metalli conducono l'elettricità e come si deformano. Conoscerete i diversi tipi di reticolo cristallino e vedrete quali difetti reticolari possono presentarsi. Esaminerete quindi più da vicino la microstruttura dei metalli e capirete cosa avviene durante il processo di lega. Infine apprenderete quali tipologie di leghe esistono e come leggere i relativi diagrammi di stato.  

Conducibilità dei metalli

I metalli sono conduttori e vengono quindi utilizzati per vari scopi nella vita quotidiana. La struttura dei reticoli cristallini facilita la comprensione della conducibilità elettrica.

Deformazione dei metalli

Oltre ad essere conduttivi, i metalli sono anche deformabili. La deformazione può essere elastica oppure plastica.

Osserviamo di nuovo il reticolo cristallino a livello atomico. Quando viene applicata una forza alla lamiera, gli atomi metallici si spostano leggermente dalla posizione nel reticolo, ma poi tornano indietro. Nel caso di una barra di piombo, invece, dopo l'applicazione della forza la nuova posizione degli atomi nel reticolo rimane, formando così una deformazione permanente.

Tre principali tipologie di reticolo cristallino

CUBICO A CORPO CENTRATO (CCC) 

Il cubo presenta un atomo metallico al centro, circondato dagli atomi ai vertici. Trattandosi di un impaccamento non compatto, non si definisce una sequenza di impilaggio. 

Lo spazio relativamente ampio tra gli atomi consente l'inserimento di atomi estranei. 

CUBICO A FACCE CENTRATE (CFC) 

Il cubo è composto da un totale di 8 atomi posizionati ai vertici e da un atomo al centro di ciascuna faccia laterale. 

Gli atomi sono disposti in tre strati sovrapposti secondo la sequenza di impilaggio (ABC), formando un impaccamento compatto a sfere. 

Un'alterazione della sequenza di impilaggio genera difetti di impilaggio, nelle cui discontinuità possono essere inseriti elementi di lega. Da ciò derivano proprietà differenti. 

ESAGONALE COMPATTO (EC) 

Gli atomi metallici sono disposti in un prisma esagonale con un atomo al centro di ciascuna base. All'interno del prisma si trovano 3 atomi. 

La sequenza di impilaggio è di tipo ABA, che genera anch'essa un impacchettamento compatto di sfere. 

Le ampie lacune reticolari offrono spazio per atomi estranei (interstiziali). 

La deformabilità a freddo è inferiore rispetto ai metalli con reticolo CFC. 

Difetti reticolari

I metalli non sono cristalli ideali ma presentano difetti reticolari. I difetti reticolari si classificano in tre dimensioni in base alla loro natura e all'estensione. La prima comprende i difetti a dimensione zero. Questi corrispondono a un singolo punto reticolare e possono essere ulteriormente suddivisi.

I difetti a dimensione zero non hanno generalmente effetti negativi sulle proprietà dei materiali metallici, ma consentono addirittura importanti trattamenti termici.

Difetti unidimensionali

Esistono poi i difetti monodimensionali, chiamati anche difetti di linea. Quando un semipiano viene inserito nel reticolo cristallino regolare, la linea reticolare risulta disturbata e si forma una dislocazione a spigolo. Le dislocazioni possono spostarsi e quindi sono la causa della deformabilità plastica dei metalli.

Difetti bidimensionali 

Nei difetti bidimensionali si verificano difetti di impilaggio nella sequenza regolare degli strati. I difetti di impilaggio si originano durante la cristallizzazione oppure per collasso di un cluster di vacanze. I difetti reticolari bidimensionali influenzano la resistenza alla trazione di un metallo. 

Microstruttura

Come già noto, i metalli sono costituiti da numerosi grani regolarmente conformati, la cui molteplicità forma la microstruttura. A occhio nudo la microstruttura non è visibile. Tuttavia, con un'apposita micrografia metallografica la microstruttura può essere resa visibile al microscopio metallografico. 

La micrografia mostra la dimensione dei grani e i bordi di grano di un metallo. La grana può variare da fine a grossa e può essere regolata mediante trattamenti mirati. I bordi di grano costituiscono interruzioni nell’ordinamento atomico dei grani e rientrano tra i difetti reticolari bidimensionali già menzionati. Si formano, ad esempio, durante la cristallizzazione. 

I metalli a grana fine possiedono migliori proprietà meccaniche rispetto a quelli a grana grossa, in quanto dispongono di una maggiore densità di bordi di grano. Un incremento della superficie di bordo grano migliora la tenacità.  Tuttavia, a temperature elevate si verificano processi di scorrimento viscoso indesiderati.

Morfologia dei grani

A fianco delle caratteristiche comuni di dimensione e bordi di grano, la morfologia varia in funzione del tipo di metallo e del reticolo cristallino.

GRANI GLOBULARI Grani di forma arrotondata, ad esempio ferro puro	GRANI POLIEDRICI  Grani di forma poligonale, ad esempio ferro con microstruttura austenitica
GRANI DENDRITICI Grani aghiformi, ad esempio acciaio temprato	MICROSTRUTTURA LAMELLARE Cristalli a morfologia lamellare, es. grafite lamellare della ghisa grigia

Diagrammi di stato delle leghe

Per studiare e sviluppare ulteriormente le proprietà delle leghe si analizzano i loro diagrammi di stato. In generale, i diagrammi di stato rappresentano gli stati di aggregazione dei metalli puri. A tale scopo si utilizzano i punti di inflessione delle curve di raffreddamento o di riscaldamento. 

Per le leghe si aggiungono la temperatura del secondo metallo e il rapporto di miscelazione della lega. Riportando tutti i punti di inflessione e collegando i valori di temperatura, si ottiene il diagramma di stato della lega.   

Le soluzioni solide e le miscele di cristalli presentano diagrammi di stato differenti. Le soluzioni solide come il rame e il nichel sono caratterizzate da una completa solubilità allo stato sia liquido che solido.

Il diagramma di stato delle miscele cristalline, come piombo e stagno, è invece caratterizzato da completa solubilità allo stato liquido e insolubilità allo stato solido.

Produzione della ghisa grezza

In questa ultima sezione viene illustrato il processo di produzione della ghisa grezza e le fasi importanti del processo di estrazione. Seguono i diversi processi per la produzione dell'acciaio a partire dalla ghisa grezza. Infine, i trattamenti secondari e le tecniche di colata.   

Come noto, l'acciaio è il materiale più utilizzato al mondo. Il suo componente principale è il ferro. Il ferro si trova in natura sotto forma di minerale ferroso, composto da ferro e ossigeno. Per la produzione dell'acciaio, occorre prima ottenere il ferro mediante processi di riduzione. 

Per l'estrazione della ghisa grezza si impiegano due processi di riduzione. Qui potete vedere una panoramica dei due processi. 

Produzione dell'acciaio

Una volta ottenuta la ghisa grezza o il ferro spugnoso solido, si procede con i cosiddetti 'processi di affinazione' per la produzione dell'acciaio. Ma in cosa consiste esattamente l'affinazione? 

Nel processo di insufflaggio con ossigeno , la ghisa grezza liquida viene caricata in un convertitore insieme a rottame d'acciaio e fondenti. Una lancia raffreddata ad acqua soffia ossigeno nel crogiolo e provoca una reazione chimica con gli elementi di accompagnamento del ferro. Il carbonio presente nella ghisa grezza viene bruciato e la calce lega gli elementi accompagnatori del ferro. Al termine del processo, l'acciaio e le scorie vengono colati separatamente.

Il processo con forno elettrico ad arco è utilizzato per produrre acciai alto-legati. Una vasca di fusione viene caricata con ghisa grezza e ulteriori componenti. Gli elettrodi di grafite vengono abbassati sulla carica e si innesca un arco elettrico. Durante la fusione vengono bruciati il carbonio residuo e gli elementi accompagnatori. Al termine del processo, l'acciaio e le scorie vengono colati separatamente.

Spesso dopo la produzione dell'acciaio possono rimanere componenti indesiderati residui. Per la produzione di acciai di qualità questi vengono rimossi mediante ulteriori trattamenti secondari. Qui potete vedere i principali processi e le relative descrizioni. Selezionate i processi per maggiori dettagli.