Materiali e Processi Innovativi nell industrial Design

METALLI

Sono elementi chimici che formano solidi che sono opachi alle radiazioni, buoni conduttori di calore e di elettricità e, quando lucidati, buoni riflettenti di luce. La maggior parte dei metalli sono resistenti, duttili (si fanno trasformare facilmente in fili), malleabili (si fanno trasformare facilmente in lamine), di alta densità, e sono solidi (tranne il mercurio che va a temperatura). I metalli sono materiali strutturali più usati dalla tecnologia attuale, ed includono una grossa varietà di leghe a base di ferro. Sono di facile lavorabilità per riscaldamento e forgiatura. Esistono anche metalli amorfi, il cui la loro caratteristica è quella di non compattarsi, rendendo il materiale molto più elastico. Sono solidi cristallini formati da ioni positivi immersi in un gas di elettrone (legame metallico), l'attrazione fra gli ioni positivi ed elettroni negativi mantiene unita la struttura e bilancia le forze repulsive fra gli.

1. Il motivo per cui i metalli sembrano freddi è proprio la loro alta conducibilità termica.
2. La maggior parte dei metalli ha una di queste tre strutture cristalline ordinate:
• FCC - Cubico a face centrate (Oro - Au)
• HCP - Esagonale compatto (Argento - Ag)
• BCC - Cubico a corpo centrato (Cromo - Cr) - meno compatta, più duri e meno malleabili.
3. Uno dei metalli più importanti è il FERRO, composto da acciai e ghise.
4. Acciaio - forma di miscela del ferro ed è costituito da poco carbonio.
5. La produzione di acciaio è molto alta, ma pian piano è andata a decrescere perché in molte applicazioni dove è richiesta un'alta

La resistenza all'abrasione è stata sostituita da materiali ricoperti di materiale ceramico. Ma nonostante ciò, l'acciaio rimane uno dei materiali più utilizzati per le grandi strutture come navi, aerei, edifici ed anche automobili.

La ghisa è composta da ferro, carbonio sciolto e cementite. Per quanto riguarda la produzione di questo materiale, è possibile tramite la miscela dell'ematite (Fe2 O3 ed ha un colore rossiccio), magnetite (Fe3 O4), carbonio e calcare, carbonato di calcio (CaCO3). Si mescolano tutti questi composti all'interno del forno e prima di arrivare ad una temperatura massima di circa 1700°C si incomincia a soffiare l'aria. Infine, da un lato escono tutti gli scarti del materiale stesso (loppa d'altoforno) ed infine la fuoriuscita della ghisa fredda fusa.

I prodotti della fonderia:

• pig iron - ferro tagliato, si ottiene dall'altoforno della ghisa (ricca di carbonio)
• cast iron - strumento che soffia l'aria

per bruciare il carbonio e realizzare oggetti compatti. La sua struttura è in acciaio più una superfice in cementite

steel - con l'eliminazione del carbonio, si arriva al ferro battuto

wrought iron - ferro battuto

Come appena ripetuto, per affinare la ghisa, bisogna eliminare il carbonio. Questa tecnica avviene tramite l'uso di ossigeno e l'aggiunta del silicio ossidato ad alte temperature.

La soluzione del ferro e della cementite, hanno dato origine ad altre soluzioni:

• austenite: è una soluzione solida di Fe e C, è duttile ed è stabile ad alte temperature, con struttura cubica a faccia centrale, ed ha una forma cristallina. (+ fragile)
• ferrite: è una soluzione solida di Fe e C, duttile al 40% e stabile a basse temperature, con una struttura cubica a corpo centrate (+ plastico)
• cementite: è un composto ceramico, formato da ferro e carbonio Fe3C, è duro e fragile con un rapporto ferro/carbonio di 3 a 1.

Acciaio eutettoide:

La sua struttura inferiore a 720°C è presente una piccola parte di carbonio e austenite, superati questi gradi si ha una nuova struttura, ovvero quella lamellare o la perlite. Acciaio ipo-eutettoide: (acciaio duttile - ferrite) ha lo stesso meccanismo, si parte da una struttura di austenite e a 727°C si divide con la cementite creando una ferrite di perlite. Acciaio iper-eutettoide: che sarebbe la perlite di cementite, è un acciaio molto duro ma fragile. Materiali per l'Industrial Design 2013 Trattamenti termici Austenite - Perlite: si parte da un austenite a temperatura superiore a 720°C, facendolo raffreddare dagli 800 ai 650°C. Per i primi secondi non c'è nessun cambiamento, ma dopo poco tempo incomincia a separarsi, in 60 secondi si passa dall'austenite alla perlite. Austenite - Bainite: per i primi 100 secondi rimane stabile, dopo di che arrivati ad una temperatura di circa 300°C l'austenite diventa bainite (materiale capace).

1. acciai inossidabili martensitici: hanno una struttura martensitica, sono molto duri e resistenti, ma meno duttili.

La corrosione può essere anche causata da fattori esterni come l'umidità, l'acqua salata o l'esposizione a sostanze chimiche aggressive. Per proteggere l'acciaio dalla corrosione, possono essere utilizzati rivestimenti protettivi come la verniciatura o la galvanizzazione.

acciaio inossidabile martensitici. È un acciaio molto duro e tenace difficile da lavorare e saldare ed è meno resistente alla corrosione, ma resistente per l'usura (almeri, motore, ingranaggi). ALLUMINIO L'alluminio (Al) è un metallo scoperto nel 1791. Ha un colore bianco/argento, ed ha una buona resistenza alla corrosione ed ossidazione. Nel 1825 prese il nome di dall'allume, sostanza già usata in antichità per le sue caratteristiche medicinali e tecnologiche. Processo di Bayer È il metodo principale, e ad oggi maggiormente usato, per produrre allumina dalla bauxite. Prende il nome da Karl Bayer che lo inventò nel 1887. La bauxite (Al2O3·nH2O) è il minerale più importante dal quale si ricava l'alluminio, ma contiene solamente il 30-54% di allumina, Al2O3, mentre la restante parte è formata principalmente da silice (ovvero biossido di silicio, SiO2), ossidi di ferro e diossido di titanio. L'allumina, dunque,necessita di un processo di purificazione prima di poter essere trasformata in alluminio metallico. In questo processo la bauxite viene lavata con una soluzione di idrossido di sodio, NaOH, a 175 °C (fase 21Materiali per l'Industrial Design 2013 generalmente chiamata digestione). Gli altri componenti della bauxite non possono essere dissolti nel bagno idrossilico; vengono perciò filtrati e scartati quali impurità solide. La mistura di tali impurità solide viene gergalmente chiamata fango rosso e presenta non pochi problemi di smaltimento. Successivamente il bagno idrossilico viene raffreddato, consentendo all'idrossido di alluminio di precipitare sotto forma di solido bianco e vaporoso; tale fase è detta, per l'appunto, precipitazione. Infine, l'idrossido di alluminio viene scaldato fino a 1050 °C, temperatura alla quale inizia la decomposizione chimica in allumina (fase di calcinazione), con rilascio di vapore d'acqua. Gran partedell'allumina prodotto mediante processo Bayer viene successivamente fuso per la produzione di alluminio. Metodo di estrazione dell'alluminio Fino al 1886 l'alluminio era considerato raro perché molto complesso da estrarre dai minerali. L'allumino puro è ottenuto dall'allumina attraverso un processo di elettrolisi, ovvero, l'anodo e il catodo vengono bagnati nella criolite ed allumina fusa. Più precisamente: l'allumina che fonde a temperature alte (2320°C) viene miscelata alla criolina che fonde a temperature basse (900°C). Successivamente vengono inserite barre di grafite che fungono da anodo (positivo) mentre la guaina di grafite da catodo (negativo). Gli ioni positivi di alluminio sono attratti da quelli negativi, mentre gli ioni di ossigeno (negativi) vengono attratti dall'anodo, gli elettroni cedono e diventano ossigeno, che brucia e consuma il carbonio. Questo processo fu creato dal chimico Heroult. Caratteristichedell'alluminio

Alluminio:

Bauxite - allumina - alluminio

Ottenuto il attraverso il processo di Bayer oppure il processo di Hall-Heroult

Proprietà:

• Leggerezza - densità 2,70
• Lavorabilità
• Elasticità 70Nmm2
• Conducibilità termica 1,00
• Conducibilità elettrica
• Resistenza e corrosione
• Riflettività
• Atossicità e impermeabilità
• Amagneticità
• Sicurezza
• Esteticità 22

Materiali per l'Industrial Design 2013

Riciclabilità

Diffetti:

• BASSO PUNTO DI FUSIONE
• SCARSA saldabilità
• Scarsa resistenza a rottura (DA 400-470 Nmm2)
• Scarsa resistenza a fatica
• Bassa duttilità (da 6 a 12)

Viene ottenuto per riduzione elettrolitica dell'ossido di alluminio - relativamente poco costoso - utilizzato per applicazioni tecniche e beni di consumo - riciclabile - lavorabile - buon conduttore elettrico - viene utilizzato molto per utensili da cucina e barattoli per bevande - le leghe di alluminio sono utilizzate per le pareti e strutture di veicoli.

Quelle fuse con il silicio sono utilizzate nella creazione di automobili ed aerei visto che è abbastanza leggero.

- Basso peso specifico (2.7 g/cm3)

- La sua resistenza aumenta legandolo con altri metalli

Leghe di Alluminio:

• elevate caratteristiche meccaniche, mantengono le ottime proprietà del metallo
• Al + Mg – aumenta la forza la durezza e la saldabilità, buona resistenza alla corrosione
• Al + Si – rende trattabili termicamente la lega quando combinato con il magnesio, buona resistenza a corrosione
• Al + Mn – aumenta il carico di snervamento e lo sforzo massimo, buona resistenza a corrosione
• Al + Cu (rame) aumenta la forza, durezza e rende trattabile termicamente la lega
• Al + Zn – aumenta la forza, durezza rende trattabile termicamente combinato con Mg

GUARDARE TABELLE

VEDERE CONTESTO STORICO DEI METALLI NEL LIBRO DEL PROF. 23

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