Appunti completi e precisi corso di Metallurgia

Storia della metallurgia

Le cave possono essere a cielo aperto o sotterranee. In Cina l’estrazione mineraria veniva praticata già da prima del 300 a. C.

I cinesi furono i primi a realizzare manufatti in acciaio: al ferro fuso veniva infatti aggiunta una macinazione di riso, che rendeva il metallo molto più resistente. Il riso, fondendosi con il metallo, fa precipitare carbonio e l’acciaio non è altro che una lega ferro-carbonio.

La metallurgia oggi

Ci sono due metodi di produzione delle leghe ferrose: il metodo primario riguarda l’inizio del minerale, il metodo secondario invece parte da un metallo a fine vita.

Metallurgia primaria

La metallurgia primaria riguarda l’estrazione di un minerale con un contenuto, tenore, di ferro congruo: per le leghe ferrose la quantità deve essere almeno un terzo del minerale. Almeno il 33% del minerale deve contenere ferro altrimenti l’estrazione è svantaggiosa.

Metalli meno abbondanti come il nichel e il cobalto sono apprezzabili anche in percentuali minori. Nelle miniere aurifere è sufficiente anche una parte per milione.

I minerali

I minerali riguardano la metallurgia primaria e sono principalmente ematite ( ), magnetite 2 3 ( ), siderite ( ). 3 4 3

La magnetite è il minerale con la più alta percentuale di ferro. I più grandi produttori di minerali ferrosi sono: Russia, Cina, U. S. A., Germania, Francia, India e UK.

L’altoforno

Per la formazione delle leghe ferro-carbonio al giorno d’oggi vengono utilizzati gli altoforni. All’interno di un altoforno vengono favorite reazioni di ossido-riduzione attraverso l’ossigeno. Il carbon-coke, ossia il carbone arrostito per renderlo inerte all’umidità, e il minerale di ferro vengono caricati e lasciati cadere nell’altoforno.

All’interno vi è una stratificazione di temperature, da una massima di 1800 gradi a una minima di 1300 gradi. Una parte più alta sono le scorie ossia l’elemento inerte che non serve per la produzione degli acciai. Dall’altra parte, più pesante, precipita il materiale ferroso chiamato ghisa di prima fusione. Viene anche definita pig-airon ossia ferro grasso perché c’è troppo carbonio.

L’altoforno è fatto in modo tale che le temperature isotermiche abbiano un andamento a campana, con tale comportamento si intende che la zona di maggiore temperatura è quella centrale. Questa differenza di temperatura produce dei moti vorticosi che servono per sfruttare i processi di ossido-riduzione necessari per l’estrazione del ferro a partire dal minerale.

Si introducono circa il 4% di C, 1,6% di Mn, ci sono poi residui di Si, S e P. La restante parte è ferro.

Il rendimento dell’altoforno è circa il 50%, perciò la metà prodotta è scarto. Queste scorie vengono utilizzate per formare terrapieni e asfalti.

Le reazioni di ossido-riduzione servono a ridurre i residui di zolfo e fosforo che creano problemi durante i trattamenti termici.

Un esempio di altoforno è l’Ilva di Taranto che ne possiede 5 e poiché in Italia non abbiamo né materiali ferrosi né carbon-coke dobbiamo importare tutto. Inoltre, l’Italia è specializzata nella produzione di acciai per costruzione edile.

Convertitore Bessemer

Siccome la percentuale di carbonio è troppo alta è necessario un altro trattamento, attraverso il convertitore Bessemer. L’interno del convertitore è ricoperto di refrattari che non conducono calore, poiché all’interno si raggiungono i 1500 gradi.

Questo convertitore viene alimentato a corrente elettrica. La ghisa liquida di prima fusione viene convertita in acciaio attraverso l’ossigeno. La ghisa reagisce con i moti vorticosi di ossigeno dando ossido di carbonio. Un blocco delle lance misura la concentrazione di anidride carbonica ( ) prodotta e la concentrazione 2 dell’ossigeno.

La percentuale di carbonio viene almeno dimezzata, facendo uscire la prodotta. Il metallo poi 2 viene svuotato nelle siviere.

Questo è il processo di produzione della metallurgia primaria, in parallelo possiamo avere produzioni di acciai attraverso forni elettrici e mediante rottami, ovvero metalli a fine vita.

Metallurgia secondaria

I rottami vengono calibrati ossia pesati in base alle loro composizioni chimiche. Essi sono classificati in base alla provenienza, se provengono da elettrodomestici o altro. Gli acciai inossidabili di alta qualità prendono una direzione diversa rispetto agli involucri degli elettrodomestici.

Vi sono poi rottami più complessi ossia i rottami compositi che presentano altri materiali come gomme, verniciature polimeriche e materiale inerte.

In Italia il rottame si classifica come:

• Rottame siderurgico: tutti i materiali residui che non sono stati utilizzati nell’altoforno;
• Rottame nuovo: è per la prima volta rottame;
• Rottame vecchio: sono rottami al terzo/quarto ciclo. I rottami molto vecchi vanno miscelati con quelli nuovi per avere ancora proprietà meccaniche di qualità.

Operazioni fuori forno

La colata

La colata può essere di due tipi:

• La colata a getti dalla quale vengono prodotti dei lingotti;
• La colata continua che produce laminati e altro.

Dai getti si ricavano strutture grossolane in acciaio, essendo molto grandi: i lingotti possono essere deformati successivamente o per contatto, attraverso martellature a caldo, o magneticamente, attraverso induzione elettromagnetica.

Solidificazione dei materiali metallici

È un processo che parte da un’alta temperatura fino ad arrivare alla temperatura ambientale, perciò avremo un gradiente di temperatura e un tempo di solidificazione.

La temperatura di solidificazione dei metalli puri è sempre superiore di quella dei composti metallici.

La solidificazione è:

• Passaggio dallo stato liquido allo stato solido dei metalli;
• Processo accompagnato da contrazione di volume, ne va tenuto conto nella colata a getto.

Avviene in due stadi distinti:

• Il primo è la nucleazione (N), ovvero la comparsa di piccolissimi cristalli nel liquido;
• Nel secondo si ha la crescita di questi nuclei/cristalli (G).

Questi due processi hanno velocità diverse.

Se il raffreddamento è lento lo stadio G prevale su N (N/G basso). In questo caso diamo tempo al sistema di stabilizzarsi. Perciò la velocità di nucleazione è bassa mentre quella di crescita no. Dal punto di vista energetico è favorito il processo di crescita. In questo caso avremo meno nuclei, ma molto più grandi.

Se il raffreddamento è veloce, N prevale su G (N/G alto). Si può ottenere o perché N è alto o perché G è basso. Quando raffreddo velocemente il sistema termodinamico reagisce allo shock termico formando tantissimi nuclei, dunque l’energia spesa dal metallo liquido è spesa per alzare N, mentre G non viene accresciuto.

Le porzioni omogenee di metallo solido sono dette grani.

Nucleazione

Nucleazione ↔ )

Le trasformazioni di fase ( in condizioni reali, raffreddamenti non infinitamente lenti, tendono ad avvenire a temperature inferiori di quelle delle trasformazioni termochimiche, sottoraffreddamento.

La velocità di raffreddamento non è mai una curva lineare. Infatti, tanto più ci avviciniamo alla temperatura di solidificazione tanto più la risultante curva tende a rallentare per accostarsi alla temperatura di solidificazione, per poi diventare orizzontale, questo accade anche se il delta è costante.

Quindi man a mano che si avvicina alla temperatura di solidificazione il sistema termodinamico rallenta la discesa, questo accade perché l’agitazione termica degli atomi di ferro è sempre più inibita, talmente ridotta che in alcune zone quasi diventa solido.

Siccome il raffreddamento è lento avremo pochi grani, ma molto grandi.

Aumentando la velocità di raffreddamento si ottiene una nuova curva.

In corrispondenza della temperatura di solidificazione la curva continua a scendere fino a un minimo e poi risale per tornare a . Raggiunta nuovamente si forma il solido. A questo punto il raffreddamento del solido è molto più lineare del caso precedente. Siccome la velocità di raffreddamento è alta il rapporto N/G è elevato e nel punto E avremo tanti piccoli grani.

La porzione BCD viene detta energia di transizione per arrivare alla condizione di equilibrio.

La velocità di raffreddamento per il sistema termodinamico è talmente elevata che il sistema non è in grado di stabilizzarsi in B, perché gli serve più tempo. Una volta che il sistema arriva in C riacquista energia prendendola dalla formazione in Dè della superficie di discontinuità tra liquido e solido.

Il raffreddamento dipende dalla conducibilità termica del metallo.

Il fenomeno del sotto raffreddamento può essere problematico, perciò, viene limitato attraverso l’aggiunta di inoculanti, ovvero elementi alto-fondenti che fungono da moderatori di questo processo. Ne sono degli esempi il vanadio negli acciai e il boruro di titanio ( ) nelle leghe di 2 alluminio.

Quindi la solidificazione avviene anche in corrispondenza degli inoculanti, ossia si moltiplicano i nuclei di formazione del solido. Ciò significa portare il punto D sempre più a sinistra fino a raggiungere B.

Quindi si elimina il sottoraffreddamento, mantenendo un’elevata velocità di raffreddamento.

La resistenza meccanica sarà proporzionale a 1/√D, dove D è la dimensione media dei grani. Quindi un raffreddamento veloce permette una resistenza meccanica elevata perché forma grani fini.

Ogni grano ha un reticolo orientato diversamente.

La zona di bordo dei grani è la zona di discontinuità tra una porzione di materiale che è solidificato in un certo modo e una opposta. I bordi di grano sono le zone che si sono solidificate per ultime. In questa parte risiedono tutti gli elementi aggiuntivi, cromo, nichel e altro. Perciò si fanno dei trattamenti per ridistribuire omogeneamente gli elementi aggiuntivi, attraverso agitazione termica.

Solidificazione e diagrammi di stato

In una lega non abbiamo un’unica temperatura di solidificazione, ma un intervallo di temperatura. + Nella zona mista c’è un interscambio continuo di atomi tra solido e liquido. Il solido che si sta formando scambia continuamente elementi con il liquido che lo circonda, perciò si riesce a omogeneizzare meglio la chimica dei grani finali.

Raffreddamento molto lento

Supponiamo di raffreddare una lega 70% di A e 30% di B. La lega inizia a solidificare soltanto alla temperatura . Abbassando ancora la temperatura fino a otteniamo un liquido molto ricco in 0 1 B (57%) e un solido (20% B, 10% A).

Alla temperatura abbiamo i primi cristalli di solido (90% di A, 10% di B) e attorno al solido c’è un 0 liquido (70% di A e 30% di B). Il volume del liquido è rappresentato dalla linea a sinistra della verticale della lega. Quindi è () massimo a . 0 = 27% = 73%.

Alla temperatura invece mentre 1 () () : 0,27 − 57% + 0,75 − 20% 0,27 − 57% 0,75 − 20% Distribuzione di B in dove è e è 1 () () e da ciò otteniamo così la quantità totale di B ovvero il 30%.

Alla temperatura si cominciano a formare i primi cristalli di solido. Qui la composizione del 0 liquido è (70% A, 30% B) mentre quella del solido è (90% A, 10% B). Alla temperatura la 1 percentuale di liquido è 27% mentre quella di solido è 73%.

Il liquido è composto per il 43% di A e il 57% di B.

Il solido invece è composto dal 20% di B e dall’80% di A. Perciò liquido e solido si stanno arricchendo sempre più in B.

0,27 × 57 + 0,73 × 20 = 30%. Facendo il bilancio.

In la percentuale di liquido è quasi nulla, quella di solido è quasi massima. Il liquido è composto 1 dal 30% di A e 70% di B. Il solido è composto dal 70% di A e 30% di B.

Completa miscibilità allo stato solido con minimo nella linea del liquidus

Il punto è il punto più basso di solidificazione. Viene detto eutettico, la temperatura più bassa alla quale possiamo trovare il liquido. La composizione eutettica di una lega raffredda direttamente da liquido a solido. Quindi la lega ha un comportamento simile a una sostanza pura.

Parziale miscibilità allo stato solido

Per certi intervalli di temperatura e composizione, le componenti non sono miscibili e si formano due fasi solide. Supponiamo di avere una lega composta per il 75% di A e il 25% di B.

Alla temperatura si 1 iniziano a formare i primi cristalli di solido.

Alla temperatura il sistema è per il 50% liquido e per il 50% solido. Il liquido è composto dal 70% 2 di A e dal 30% di B. Il solido è composto dall’80% di A e dal 20% di B. Facendo il bilancio di B: 0,50 × 30 + 0,50 × 20 = 25%.

Alla temperatura il liquido si è del tutto consumato e rimane solo il solido alfa. La lega è solida 3 fino alla temperatura , dopo di che si forma una doppia fase solida. 5

Alla temperatura , abbiamo il 5% di solido beta e il 95% di solido alfa. Il solido beta è composto 6 per il 98% di B e per il 2% di A. Il solido alfa è composto per il 21% di B e per il 79% di A.

Bilanciando B: 0,95 × 21 + 0,05 × 98 = 25%.

Il solido beta è ricchissimo di B. Questo fenomeno è detto smiscelamento.

Esempio 1

Supponiamo che la composizione dell’eutettico sia 40% di A e 60% di B. Alla temperatura 0 abbiamo tutto liquido.

Alla temperatura si iniziano a formare dei solidi. Tale solido è composto 90−60 60−15 = 0,40 = 0,60 da alfa e beta. 90−15 90−15.

Il solido eutettico è composto dal 40% di alfa e del 60% di beta.

95−60 60−10 = 0,41 = 0,59. A Taub l’eutettico è composto da e 95−10 95−10.

L’eutettico è composto dal 41% di alfa e per il 59% di beta.

0,41 × 10 + 0,59 × 95 = 60%. Facendo il bilancio di B:

Prendiamo ora una lega composta da 70% di A e dal 30% di B. Alla temperatura la composizione 2 30−12 45−30 = 0,55 = 0,45 è di liquido e di solido alfa. 45−12 45−12.

0,45 × 12 + 0,55 × 45 = 30%. Facendo il bilancio di B:

Quindi B è ancora molto nel liquido.

Alla temperatura valutando il tratto fino al punto E, studiamo l’eutettico alfa. 3 30−15 60−30 = 0,33 = 0,67. 0,33 × 60 + Quindi abbiamo di eutettico e Facendo il bilancio di B: 60−15 60−15 0,67 × 15 = 20 + 10 = 30%.

30−10 60−30 = 0,40 = 0,60 A Taub abbiamo di eutettico e di alfa. 60−10 60−10.

(0,410,40 + 0,59 ) + 0,60. Quindi la lega è composta da Facendo il bilancio di B: 0,40 × 60 + 0,60 × 10 = 30. B è nella maggior parte nell’eutettico.

Esempio 2

Consideriamo una lega 80% di B e 20% di A.

Alla temperatura il sistema è tutto liquido. 0

A comincia a formarsi il solido a spese del liquido. 1

95−80 80−70 = 0,60 = 0,40. Alla temperatura abbiamo di liquido e di solido 2 95−70 95−70.

80−60 90−80 = 0,67 = 0,33 Alla temperatura eutettica abbiamo di e di eutettico. 3 90−60 90−60.

× 90 + 0,33 × 60 = 80. Bilanciando B: 0,67 (0,41 0,33 + 0,59 ) + 0,67. × 10 + La lega a è composta da Bilanciando A: 0,6730,33 × 40 = 6,7 + 13,3.

80−60 95−80 = 0,57 = 0,43 Alla temperatura Taub abbiamo e di eutettico. 95−60 95−60.

(0,410,43 + 0,59 ) + 0,57. Quindi la composizione della lega è Facendo il bilancio 0,43 × 40 + 0,57 × 5 =