Appunti di metallurgia

Introduzione sulle leghe metalliche

I materiali metallici tendono a legarsi con altri elementi. In natura è raro imbattersi in metalli puri. Anche il ferro meteoritico non è ferro puro, è una lega ferro-nichel. Tutti gli elementi in natura sono sotto forma di leghe. Ma gli altri elementi che cosa sono, se parliamo di leghe? Gli altri elementi possono essere dei metalli, e in questo caso abbiamo sempre dei materiali metallici.

Esempio: le leghe di alluminio, abbiamo alluminio con sé stesso (serie 1000), alluminio-rame (serie 2000); in questo caso abbiamo materiali metallici, perché un metallo si unisce con un altro metallo. Però non è detto che i materiali metallici si uniscano solo con metalli, possono unirsi anche con i metalloidi, cioè con materiali non metallici. In questo caso le cose si complicano, perché dipende da che cosa succede.

Possiamo avere come risultato sia materiali metallici che non metallici; esempio: nel caso del ferro abbiamo le leghe ferro-carbonio che danno origine a due prodotti chiamati acciai e ghise. Le leghe ferro-carbonio sono formate da un metallo e da un non metallo (il carbonio); queste leghe danno origine a due categorie importanti: acciai e ghise. Fino al 2% di carbonio si parla di acciai, oltre il 2% si parla di ghise (salvo eccezioni).

Acciaio e ghise: differenza e lavorazione

Perché il 2%? Questo valore trae origine dal diagramma ferro-carbonio, in quanto sotto il 2% non intervengono certi fenomeni in fase di solidificazione e sopra il 2% ne intervengono altri. Infatti, al di là della composizione chimica, la vera differenza tra accia e ghise risiede nel comportamento: gli acciai sono materiali che possono essere facilmente lavorabili oltre che per asportazione di truciolo, soprattutto per deformazione plastica; le ghise invece sono materiali da getto, cioè la cui caratteristica principale è la facile colabilità.

Il carbonio è l’elemento imprescindibile; poi, oltre a questo, sono sempre presenti manganese, silicio (presenti nel processo di fabbricazione) e purtroppo anche fosforo e zolfo (presenti nel coke), più altri elementi che eventualmente aggiungiamo. A seconda della quantità di questi elementi parliamo di acciai al carbonio o acciai legati. La differenza: tutti gli acciai hanno il carbonio; gli acciai al carbonio hanno gli altri elementi in tenori limitati, cioè elemento per elemento sono sotto una certa soglia (non presenti in quantità tali da modificare le proprietà degli acciai); negli acciai legati gli altri elementi, oltre al carbonio, sono presenti in quantità tali da influenzare con la loro presenza il comportamento dell’acciaio (in quantità superiore al limite).

Motivi per legare gli acciai

Perché gli acciai vengono legati? Per avere certe caratteristiche (resistenza alla corrosione, durezza, ecc). Il più delle volte gli altri elementi vengono aggiunti per ottenere gli stessi risultati che si ottengono con gli acciai al solo carbonio, però sollecitando molto meno i materiali, cioè come vedremo, quando parliamo di acciai e proprietà non basta che diamo la composizione chimica, dobbiamo anche definire il trattamento termico.

Trattamento termico vuol dire che prendiamo il nostro materiale, lo scaldiamo ad una ben determinata temperatura e lo raffreddiamo; a seconda della velocità di raffreddamento, si ottengono proprietà differenti.

La cosa più critica per l’integrità del pezzo è il raffreddamento veloce; il pezzo rischia di spaccarsi per la diversa dilatazione della superficie del pezzo dal cuore (la superficie si raffredda e si scalda più velocemente, il cuore si scalda e si raffredda più lentamente). Come vedremo, le ghise inseguono altri obiettivi; l’obiettivo delle ghise è quello di essere materiali da getto (facile colabilità).

I requisiti di facile colabilità si realizzano in corrispondenza di una ben precisa composizione chimica, cioè quella che mi minimizza e mi annulla l’intervallo di solidificazione. Questo fenomeno crea dei grossi problemi perché abbiamo la compresenza di solido e liquido (un fango); il problema è che se abbiamo un fango, questo ha una viscosità maggiore del liquido e il rischio è quello di non riempire bene lo stampo.

Come vedremo esiste un punto, chiamato eutettico, nel quale si ha un comportamento uguale a quello dell’acqua (tutto liquido che passa a tutto solido). Questo punto gode anche di un’altra proprietà: è il punto nel quale si ha liquido alla più bassa temperatura. Questo è importante perché se abbiamo una lega eutettica, questa la possiamo colare alla temperatura più bassa possibile, quindi minor consumo termico, minor usura, ecc. questo significa che le ghise e tutti gli altri materiali, quando vengono utilizzate come materiali da getto, tendono ad avere una composizione eutettica.

Nel caso delle ghise gli elementi leganti hanno lo scopo di portarci a una composizione eutettica con un tenore di carbonio reale inferiore a quello previsto dal diagramma di stato ferro-carbonio (spostano l’eutettico verso tenori di carbonio molto più bassi). Quindi gli elementi leganti giocano un ruolo fondamentale.

Metalli uniti a non metalli

Mentre in linea di massimo quando un metallo si unisce ad un altro metallo, il risultato è ancora un materiale metallico, non possiamo essere così sicuri se il metallo si unisse ad un non metallo. Esempio: il ferro con l’ossigeno forma tre ossidi (wustite, magnetite e ematite); ovviamente non sono materiali metallici. D’altronde, il fatto che non siano leghe è anche dimostrato dal tipo di legame; gli ossidi hanno un legame ionico, non è metallico.

La prova evidentissima è che fra le caratteristiche dei materiali metallici abbiamo la lucentezza; ma generalmente i materiali metallici non riflettono la luce perché la superficie quasi mai è un metallo. O è coperta da vernici o comunque strati protettivi, oppure è ossidata. Ecco allora che con il termine lega intendiamo necessariamente un materiale con caratteristiche metalliche, costituito da un metallo in unione con altri elementi (se metallo viene fuori una lega, se è un non metallo il risultato può essere una lega oppure un qualcosa che non è un materiale metallico).

Conducibilità elettrica

Premessa: ci sono anche altri materiali che non sono metallici, che conducono la corrente. Per conduzione di corrente si intende la possibilità di avere un passaggio di corrente sotto l’azione di un campo elettrico. La conduzione elettrica può essere di tipo ionico comune a metalli e non metalli (fenomeno dell’elettrolisi): mettiamo un elettrolita in acqua insieme ad un solvente, questo si scioglie e si scinde in ioni positivi metallici e ioni negativi non metallici, e sotto l’azione di un campo elettrico, le cariche negative saranno attratte dal polo positivo e viceversa.

E la conduzione dovuta a particelle caricate elettricamente costituite da elettroni, comune solo ai metalli: il legame metallico consiste nel fatto che gli elettroni di valenza vengano ceduti a tutta la struttura; noi sappiamo che le condizioni di stabilità sono quelle per le quali si ha una configurazione con gli orbitali tutti pieni (sistema stabile è quello al minimo di energia, che non reagisce). Ferro ed ossigeno separati hanno un’energia maggiore rispetto all’ossido, quindi si devono instaurare dei legami. Nel caso dei metalli, gli orbitali si svuotano cedendo elettroni e si ha il legame metallico: elettroni condivisi con tutta la struttura e sono dotati di una notevole mobilità, da qui la caratteristica di essere conduttori di elettricità e di calore.

In realtà, gli elettroni possono muoversi non dove vogliono, ma dove possono. Come sapete, l’elettrone è un oggetto identificato dalla propria energia. Allora, la domanda fondamentale di tutta la fisica: dove stanno gli elettroni? Noi diremo che gli elettroni stanno in zone a loro energeticamente concesse. Nel caso del legame metallico, mobilità significa che gli elettroni possono muoversi in zone a loro energeticamente concesse. Se introduciamo altri elementi o abbiamo la presenza di difetti, perturbiamo il campo energetico. Perturbazione significa perturbazione delle zone dove gli elettroni possono stare. Per esempio, le vacanze; in prossimità delle vacanze il campo energetico è compromesso e il moto degli elettroni è ostacolato.

Metalli come conduttori

In linea di massima, tutti i metalli potrebbero andar bene come conduttori. Quando scendiamo dalla teoria alla pratica le cose cambiano. In realtà, non tutti vanno bene, per vari motivi (costo, tecnologico). il materiale elettrico più comune è il rame. Il rame costa perché per produrlo ha un costo; il problema non è il costo di per sé (produrre rame è banale, basta scaldare a meno di 100 gradi per eliminare l’ossido e avere rame, ma non è rame puro), ma è avere rame puro per impieghi elettrotecnici. Quello che fa schizzare alle stelle il costo è il rame puro! Il problema non è ottenere il rame, ma il rame che otteniamo non è puro. Ogni difetto, inquinamento mi altera le caratteristiche elettriche.

Qui intervengono i costi: abbiamo due tecniche complementari. La prima è la fusione per zone: avvolgiamo il materiale in una spirale, facciamo percorrere da corrente questa spirale, per fenomeni di induzione la corrente passa nel materiale e per effetto joule possiamo arrivare alla fusione. È una fusione localizzata, non fondiamo tutta la barra. Anche qui, devo premettere delle considerazioni: il diagramma di stato mi dice che se ho un liquido di questa composizione, il solido che si forma è molto più ricco in A e il liquido è molto più ricco in B; in altri termini quando abbiamo un solido e un liquido, il soluto prevalentemente tende a stare nel liquido, durante la solidificazione. In questo caso, scaldo, formo del liquido; poi non faccio raffreddare e solidificare tutto il liquido. Questo liquido parzialmente me lo porto dietro (muovo la spirale); questo liquido si porta in soluzione dietro di sé le impurità, fino in fondo. E poi andrò a tagliare l’ultima parte.

Questo non basta. Gli impieghi richiesti sono ovviamente sempre più stringenti. La soluzione è il metodo elettrochimico: avrò un catodo e un anodo, l’anodo è quella parte che cede ioni alla soluzione, il catodo prende ioni dalla soluzione. Il rame puro funziona da catodo, il rame impuro da anodo. Quindi devo fare l’elettrolisi del rame. Facendo l’elettrolisi del rame ovviamente ottengo il rame puro. I costi sono molto alti.

Oltre al rame abbiamo altri elementi? L’oro, per esempio. Sarebbe furbo fare dei conduttori in oro? L’oro è un ottimo conduttore, ma ha un difetto: il costo. Però nonostante il costo, l’oro viene utilizzato quando abbiamo bisogno di una bassa inerzia all’ossidazione. Quindi, il grosso problema dei conduttori elettrici è l’ossidazione (motivo per cui sono avvolti da guaina in materiale isolante). L’ossido non è una fase metallica che non conduce corrente, è una fase ionica. Questo significa che noi non possiamo permetterci che i collegamenti di vari dispositivi si ossidano; per cui, utilizzeremo conduttori in oro. Nel caso dei metalli preziosi l’utilizzo in ambito elettronico è per impedire l’ossidazione.

Un altro motivo per cui non conviene avere dei fili in oro è il problema del peso, delle catenarie. La massa volumica dell’oro è molto elevata. Le leghe d’oro esistono perché l’oro ha scarsissime proprietà meccaniche. Le linee ad altissima tensione sono linee che mi devono portare, spostare potenza elettrica (P=V x I). Quando sposto potenza elettrica, devo massimizzare questo prodotto. Ho varie scelte. Devo avere altissime tensioni e bassissime correnti. I conduttori sono reali, per cui hanno una certa resistenza, la caduta di tensione dovuta alla resistenza genera delle perdite elettriche. Queste perdite dipendono dal quadrato della corrente. Quando trasferisco potenza elettrica voglio minimizzare le perdite elettriche, e allora tengo la corrente bassa, alzando la tensione, devo anche minimizzare la resistenza. La resistenza dipende dalla resistività per la lunghezza diviso la tensione. A sua volta la resistività è una funzione del materiale e della temperatura (questa influenza in modo esponenziale le vacanze: all’aumentare della temperatura, aumentano le vacanze e aumenta la resistenza). Infatti, uno dei sistemi per misurare le vacanze è quello di misurare la resistenza del materiale in questione. Conduttori molto grossi mi abbassano la resistenza (è il parametro su cui possiamo lavorare). Se ho conduttori grossi, questi poi non resistono al proprio peso. Ecco allora che, per risolvere questo problema, uso un materiale che pesi poco, l’alluminio. È vero che in termini assoluti, la conducibilità del rame è maggiore di quella dell’alluminio, se però prendiamo a parità di peso conduce molto di più l’alluminio del rame. ecco che negli elettrodotti quello che utilizziamo è l’alluminio.

Quindi: rame per uso elettrotecnico; oro per evitare ossidazione; alluminio per trasportare grosse potenze.

Conducibilità termica

I metalli si contraddistinguono per avere una buona conducibilità termica. Questo è dovuto al fatto che gli elettroni trasportano oltre all’energia elettrica anche energia termica. Il problema è che quando noi scaldiamo il materiale subisce delle interazioni con l’ambiente circostante, che nel più semplice dei casi sono di tipo ossidativo. All’aumentare della temperatura abbiamo due fenomeni che sono antagonisti: il primo è di tipo termodinamico, il secondo di tipo cinetico. Dal punto di vista termodinamico quando aumentiamo la temperatura si formano gli ossidi; questa operazione termodinamicamente è sfavorita: gli ossidi sono molto meno stabili ad alta temperatura. Questa cosa ha implicazioni notevoli nella produzione dei materiali metallici. Se abbiamo degli ossidi, li riduciamo e otteniamo il metallo.

La seconda considerazione di carattere cinetico: la reazione di ossidazione significa coinvolgere metallo e ossigeno. Esistono velocità di reazione che aumentano all’aumentare della temperatura. Quando noi scaldiamo si formano questi ossidi. È chiaro che questi ossidi possono o avere una funzione protettiva del materiale sottostante o non averla: se noi abbiamo il materiale che si ricopre di una patina di ossido, questo ossido è compatto e aderente, ovviamente avrà una funzione protettiva; se invece l’ossido è estremamente poroso e non è aderente ovviamente è un danno.

Il più comune metallo usato è a base ferro (acciai e ghise). Dal punto di vista della corrosione questi non vanno molto bene; infatti alle medio-basse temperature si possono utilizzare normali acciai e ghise, se però saliamo di temperatura dobbiamo ricorrere ad altri materiali ad alta resistenza (acciai legati o cambiamo materiali). Dal punto di vista della conducibilità termica, anche in questo caso un materiale che va benissimo è il rame. il rame costa, quindi quando non sono richieste caratteristiche estreme si preferiscono materiali meno costosi come l’acciaio. Se andiamo verso impieghi più severi dobbiamo ricorrere ad altri materiali (ghise ad alto tenore di silicio e basso tenore di carbonio).

Oltre ai fenomeni ossidativi, bisogna considerare anche i fenomeni corrosivi. Dal punto di vista della resistenza alla corrosione possiamo dividere i fenomeni in due grandi categorie:

• Corrosione a caldo per effetto ossidativo: scaldando, aumenta la cinetica delle reazioni di ossidazione (metallo + ossigeno = ossido metallico); questa reazione è favorita dalla temperatura (anche se sfavorita termodinamicamente). Cosa succede? Dipende dal tipo di ossido che si forma.

Il ferro purtroppo non funziona bene da questo punto di vista, perché il ferro, a seconda dell’intervallo di temperatura e del tenore parziale di ossigeno presente nell’ambiente, ha tre ossidi. Questi tre ossidi hanno massa volumica differente fra di loro e dall’acciaio sottostante. Questo significa che se abbiamo delle fasi che crescono insieme, avendo volumi differenti, non possono darmi una costruzione uniforme, lo strato ossidato sarà estremamente poroso. Sono quindi ossidi non protettivi e l’ossigeno può entrare nel metallo base. Gli ossidi reagiscono poi con l’umidità presente, ossidi più acqua mi danno origine agli idrossidi e quindi avremo una miscela di ossidi e idrossidi che costituiscono la ruggine. Questi ossidi non proteggono il materiale, che arriverà a completa distruzione. Oltre agli acciai abbiamo anche altri materiali: l’alluminio, per esempio, mi da origine ad un ossido, ma questo ricopre il materiale come una pellicola sottilissima spessa pochi piani atomici. La velocità di ossidazione di questi metalli è maggiore di quella del ferro (quasi istantanea); è una barriera che mi separa il metallo dall’ambiente circostante. Lo strato ossidato è estremamente aderente e compatto al metallo base. È chiaro che l’ossigeno non riuscirà più ad entrare nel metallo. Questi metalli vengono detti autopassivanti (da soli riescono a rendersi passivi nei confronti dell’ossidazione).