I METALLI - parte prima

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OBIETTIVI DI QUESTA LEZIONE

Conoscere i metalli e le loro proprietà
Conoscere e distinguere le diverse lavorazioni che possiamo eseguire sui metalli
Conoscere il ciclo metallurgico e le sue fasi
Imparare nuove parole e nuovi termini specifici

 COSA DEVI RICORDARE?

 La differenza tra risorsa, materia prima e materiale
La differenza tra materiali naturali e materiali artificiali
Cosa è il ciclo produttivo
La differenza tra prodotto e semilavorato

INDICE

1.Metalli,non metalli e leghe
2.Il processo metallurgico
3.Le proprietà dei metalli
4.La lavorazione dei metalli

La storia dell’uomo è contrassegnata sin dai tempi più antichi, dalla ricerca di sistemi per estrarre e lavorare i metalli con i quali produrre utensìli, oggetti, armi. Durante le prime fasi della storia dell’umanità, infatti, (tutto il Paleolitico e buona parte del Neolitico) il materiale più usato fu la pietra, ma gli oggetti in pietra erano di difficile lavorazione e non avevano una grande resistenza. Il passaggio ai metalli, grazie alle proprietà di questi materiali, permise all’uomo di realizzare attrezzi più precisi e resistenti e con delle lavorazioni meno faticose.

 Gli storici hanno addirittura usato il nome di leghe e metalli per distinguere alcune grandi epoche dell’umanità: età del rame, età del bronzo (ottenuto dalla fusione di rame e stagno), età del ferro. Ancora oggi i metalli e le leghe (soprattutto l’acciaio) sono fondamentali in molti settori industriali, ma per molte applicazioni sono sostituiti da materie plastiche e nuovi materiali.
punte di freccia dell'eta del rame (3.500-2.300 a.c.)
ascia dell'eta del bronzo (2.300-1.200 a.c.)
spada dell'età del ferro (1.200-750 a.c.)

1.METALLI, NON METALLI E LEGHE

Le sostanze presenti in natura si distinguono, dal punto di vista chimico, in metalli, non metalli e semi-metalli

I metalli sono un gruppo di sostanze di origine naturale con ottime proprietà fisiche, meccaniche e tecnologiche. Sono solidi a temperatura ordinaria (ad eccezione del mercurio, che è l’unico metallo liquido), hanno un aspetto lucente, sono buoni conduttori di calore e di elettricità e sono facilmente lavorabili in fili e lamine sottili. In natura difficilmente si trovano allo stato puro, ma sono quasi sempre mescolati ad altri sostanze e formano i minerali dai quali con particolari procedimenti fisici e chimici possono essere estratti.

Risorsa: rocce metallifere
Materia prima: minerali
Materiale: metalli
i metalli
I non metalli sono, invece, quelle sostanze che presentano caratteristiche opposte a quelle dei metalli. Possono essere liquidi, solidi o gassosi, sono fragili, solitamente, fondono a temperature relativamente basse e sono cattivi conduttori di calore e di elettricità.
I semi-metalli sono sostanze di origine naturale che hanno caratteristiche intermedie tra quelle dei metalli e quelle dei non metalli.
Le leghe sono materiali di origine artificiale che si ottengono dalla fusione di un metallo con un altro metallo o con un non metallo.

2. IL PROCESSO METALLURGICO: DALLE MATERIE PRIME AI SEMILAVORATI

La ricchezza di minerali del nostro pianeta è stata sfruttata fin dalla preistoria e spesso possiamo ancora vedere i segni di questa lunga attività di scavo.
un'immagine aerea della miniera diRame di Bignham Canyon negli Stati Uniti. La miniera ha una larghezza di 4km
Sono però pochi sono i metalli che si trovano in natura allo stato nativo, cioè puri, come l’oro, il platino e, in misura minore l’argento e il rame, il più delle volte sono mescolati con altre sostanze.
L’insieme delle tecniche e dei procedimenti per l’estrazione dei metalli dai loro minerali prende il nome di metallurgia. La metallurgia del ferro, che ha un’importanza particolare, si chiama siderurgia; questo perché quando gli uomini iniziarono a realizzare oggetti in ferro (circa 3.000 anni fa) recuperavano il metallo dalle rocce che precipitavano con i meteoriti. Gli antichi Greci chiamarono così Sider (cioè “stelle”) il ferro e tutto ciò che era ad esso collegato fu definito “siderurgico”

il processo metallurgico e le sue lavorazioni

Le lavorazioni che avvengono nelle industrie metallurgiche ci permettono di distinguere tre fasi:

1.METALLURGIA ESTRATTIVA O PRIMARIA che comprende tutte le lavorazioni necessarie per ottenere il metallo dal minerale
una galleria in una miniera di rame
PROSPEZIONE MINERARIA: le operazioni necessarie per individuare possibili giacimenti sfruttabili;
L’ARRICCHIMENTO: la separazione della parte di minerale utile dalla parte sterile, cioè non contenente metallo, detta ganga
LAVORAZIONI PRELIMINARI: che comprendono frantumazione, lavatura e cernita
ESTRAZIONE DEL METALLO DAL MINERALE: il minerale viene sottoposto a trattamenti chimici, elettrochimici o termici che consentono la separazione del metallo dal minerale

2.METALLURGIA FISICA comprende i vari processi che portano alla realizzazione di semilavorati e oggetti in metallo o di leghe metalliche
FORMATURA PER FUSIONE: Il metallo fuso viene versato in uno stampo
SINTERIZZAZIONE: detta anche metallurgia delle polveri,
LAVORAZIONE PLASTICA: modella il metallo con opportune sollecitazioni esterne (laminazione, trafilatura, fucinatura, imbutitura, estrusione)
TRATTAMENTI TERMICI: modificano struttura e proprietà del metallo grazie alle variazioni di temperatura (ricottura, tempra, rinvenimento);
TRATTAMENTI SUPERFICIALI: a scopo estetico e protettivo i metalli vengono ricoperti da uno strato di un altro metallo (cromatura, zincatura, anodizzazione)
e nella sua forma pura avviene con la Separazione: il metallo viene separato dalle sostanze con le quali si trova combinato nel minerale attraverso una serie di procedimenti, oppure per riscaldamento.

3.METALLURGIA SECONDARIA O DI RECUPERO che consente di arrivare al prodotto finito (metallo e sue leghe) partendo dal rottame riciclato. La metallurgia di recupero è assai sviluppata nel settore siderurgico e in quello dell’alluminio. Oltre a notevoli risparmi energetici, essa favorisce anche la tutela e il rispetto dell’ambiente attraverso la riduzione dei rifiuti e la riduzione l’inquinamento atmosferico.




3.PROPRIETÀ DEI METALLI

Ogni materiale metallico ha proprietà specifiche che lo distinguono dagli altri. Tutte le proprietà possono essere suddivise in tre categorie: fisiche/chimiche; meccaniche; tecnologiche.

Proprietà fisiche
Si riferiscono alla natura fisica del materiale.

Peso specifico. E’ il rapporto tra la massa di un corpo (misurata in Kg) e il suo volume (misurato in dmc). Si definiscono metalli leggeri quelli che hanno un peso specifico inferiore a 4 Kg/dmc (come ad esempio l’alluminio); sono metalli pesanti tutti gli altri.
Dilatazione termica. I materiali metallici aumentano il proprio volume quando vengono riscaldati. Ogni metallo ha un aumento di volume diverso dall’altro.
Temperatura di fusione. Ogni metallo ha un suo caratteristico punto di fusione, cioè la temperatura in cui si ha il passaggio dallo stato solido allo stato liquido (ad esempio lo stagno fonde a 232°C, mentre l’oro a 1063°C)
colatura del metallo fuso in uno stampo
Conduttività termica. È la proprietà dei metalli di trasmettere calore (l’argento, il rame, l’oro e l’alluminio sono i migliori conduttori di calore).
un paiolo di rame sul fuoco
Conduttività elettrica. È la proprietà dei metalli di trasmettere la corrente elettrica (i migliori conduttori elettrici sono l’argento, il rame e l’alluminio).
cave elettrici in rame
Resistenza alla corrosione. È la proprietà di resistere all’azione degli agenti atmosferici (aria, acqua, vapori ecc,) e chimici (ossigeno, acidi, ecc.).
il colore verde della Statua della libertà è dovuto all'ossidazione del rivestimento di rame a contatto con l'aria 

 Proprietà meccaniche
Si riferiscono alla capacità dei materiali di resistere all’azione di forze esterne che tendono a deformarli.
la torre Eiffel è stat una delel prime strutture a sfruttare le proprietà meccaniche dei metalli

Resistenza alla compressione. i metalli resistono bene all’azione di forze che tendono allo schiacciamento.
Resistenza alla trazione. i metalli hanno un’ottima resistenza alla trazione, cioè all’azione di forze che tendono ad allungarli.
Resistenza alla flessione. È la capacità dei metalli, soprattutto degli acciai, di piegarsi a freddo, senza incrinarsi o rompersi.

grazie alla capcità dei metalli di resistere alla flessione e alla trazione siamo in grado di costruire opere come questo ponte strallato (cioè sospeso a cavi d'acciaio) tra Danimarca e Svezia Oseerva il DOCUMENTARIO sulla costruzione del ponte
Resistenza alla fatica. è la resistenza dei metalli a sforzi che si ripetono nel tempo (es.: l’accorciamento e l’allungamento di una molla ripetuto per migliaia di volte o il movimento di un ingranaggio all’interno di un meccanismo).

ingranaggi e molle in metallo nel meccanismo di un orologio di lusso. Osserva il VIDEO della costruzione artigianale del meccanismo di un orologio di lusso
Durezza. È la resistenza che un metallo oppone alla penetrazione di una punta. Questa resistenza può variare con il calore e, difatti, alcuni metalli vengono riscaldati durante le fasi di lavorazione.

Proprietà tecnologiche
Si riferiscono all’attitudine dei materiali a subire lavorazioni di vario genere.

Fusibilità. È la capacità di un metallo a lasciarsi fondere (passare, cioè, dallo stato solido a quello liquido) e colare in stampi senza lasciare vuoti o imperfezioni.
Malleabilità. È la capacità dei metalli a farsi ridurre in lamine sottili.

Duttilità. È la capacità dei metalli a farsi ridurre in fili sottili.

Saldabilità. È la proprietà dei metalli di unirsi fra di loro in unico pezzo per mezzo di una saldatura ottenuto con metallo fuso.

 Temprabilità. È la capacità dei materiali metallici di aumentare la propria durezza se scaldati e velocemente raffreddati.

4. LA LAVORAZIONE DEI METALLI

Per la loro lavorazione i metalli possono trovarsi in tre diversi stati: possono essere lavorati allo stato solido (quindi così come sono per natura), altrimenti possono essere lavorati allo stato liquido (cioè dopo aver subito una fusione). Oppure possono essere lavorati in uno stato intermedio tra il solido e il liquido, uno stato in cui il metallo viene riscaldato fino ad ammorbidirlo ma senza fonderlo (si pensi, ad esempio, alla consistenza della plastilina…): tale stato si dice stato plastico.

I tipi di lavorazione dei metalli si possono classificare in 4 categorie.
Lavori di fonderia (stato liquido)
Lavori di saldatura (stato solido)
Lavorazioni per deformazione plastica (stato plastico)
Lavorazioni con macchine utensili (stato solido) 

LAVORI DI FONDERIA
Colatura. Si esegue con i metalli (spesso leghe metalliche) allo stato liquido. I metalli fusi vengono colati in forme entro le quali si solidificano per poi essere estratti. I lavori di fonderia prevedono quindi prima la costruzione di un modello della stessa forma e dimensione dell’oggetto che si vuole realizzare. Quindi, dal modello, viene creata la forma, dentro la quale verrà colato il metallo liquido.

LAVORI DI SALDATURA
La saldatura è un’operazione con la quale si uniscono saldamente tra loro due pezzi metallici mediante l’azione del calore, con o senza l’aggiunta di un altro materiale
I principali procedimenti di saldatura sono:
Saldatura per fusione a gas: viene fatta con l’impiego di speciali cannelli che producono una fiamma caldissima che serve a fondere una bacchetta di metallo che viene fatta colare sui  pezzi da unire. Guarda anche questo VIDEO e ricorda che si tratta di operazioni molto pericolose, lasciale fare ad adulti esperti!



Saldatura elettrica ad arco: in questo tipo di saldatura il calore necessario per portare a fusione le parti è fornito dall’energia termica prodotta da un arco elettrico.


Saldatura elettrica per pressione e resistenza elettrica: il riscaldamento è dovuto al passaggio di una corrente elettrica. Nel punto di contatto le parti diventano pastose e per effetto della pressione esercitata si uniscono saldamente. Questo tipo di saldatura è molto usato per unire per punti le lamiere.

LAVORAZIONI PER DEFORMAZIONE PLASTICA
Le principali lavorazioni plastiche sono:
Laminazione: è l’operazione con la quale il materiale metallico, costretto a passare tra due cilindri rotanti (calandra) viene ridotto in lamine sottili. Sfrutta la proprietà tecnologica dei metalli nota come malleabilità.

Estrusione: è un processo di lavorazione che consiste nello spingere il materiale metallico attraverso un’apertura (matrice) di forma determinata. Il materiale assume quindi la forma della matrice, di lunghezza variabile.

Trafilatura: è un processo di lavorazione che consiste nello spingere una barra di una certa sezione attraverso un foro di sezione più piccola. Con questa operazione è possibile ottenere fili sottili, sfruttando la proprietà tecnologica dei metalli nota come “duttilità”.
Fucinatura: è un processo che consiste nel portare il metallo allo stato rovente per poi deformarlo a colpi di maglio, martello o presse.

Stampaggio: è un processo che prevede il riempimento di una forma con il metallo ancora allo stato plastico. È simile al lavoro di fonderia con la differenza che la forma non viene riempita dal metallo liquido ma dal metallo, appunto, allo stato plastico.
Imbutitura: è un processo tecnologico attraverso il quale una lamiera viene deformata plasticamente ed assume una forma scatolare, cilindrica o a coppa. Serve per creare oggetti cavi all’interno.

LAVORAZIONI CON MACCHINE UTENSILI
Le macchine utensili trasformano un pezzo grezzo o semilavorato in un prodotto finito, asportando il metallo sotto forma di truciolo, per mezzo di un utensile.
Fra le principali lavorazioni ci sono:
Tornitura: il pezzo da lavorare viene fatto ruotare contro la lama del tornio, che si muove invece in modo lineare, asportando trucioli (lavorazione per ottenere le viti…)

Foratura: ottenuta per mezzo di un trapano.

Fresatura: viene asportato del metallo all’interno del pezzo di partenza fino ad ottenere la forma voluta.

Piallatura: vengono asportati sottili strati superficiali del pezzo metallico lavorato (si pensi alla piallatura del legno…)


Alesatura: è un’operazione di finitura della foratura e permette di allargare la dimensione dei fori già ottenuti col trapano per portarli alla dimensione desiderata.