Materiali metallici ferrosi e non ferrosi, classificazione e processi

Materiali Metallici Ferrosi e Non Ferrosi

DE
BRIA
Mediterranea
dA-D
DIPARTIMENTO
ARCHITETTURA . DESIGN
UNIVERSITÀ MEDITERRANEA DI REGGIO CALABRIA
Dipartimento di Architettura e Design DAE
Corso di Materiali per l'Architettura (6 CFU) - A.A. 24/25
Prof.ssa Francesca Giglio, PhD S. Francesco Armocida

LEZ.
8
MATERIALI METALLICI FERROSI E NON FERROSIDE
LAING
RIA
Mediterranea
dA=D
DIPARTIMENTO CO
ARCHITETTURA . DESIGN

Topic della Lezione

• Materiali metallici ferrosi
  • Definizione e classificazione
  • Ghisa
  • Acciaio e leghe
  • Ferro
  • Processo produttivo
  • Manufatti
  • Sistemi di connessione
  • Caratteristiche e proprietà
  • Cause di degrado
  • Impatto ambientale
• Materiali metallici non ferrosi
  • Alluminio e leghe - Classificazione, proprietà e
    processo produttivo
  • Rame e leghe - Classificazione, proprietà e processo
    produttivo
  • Titanio - Classificazione, proprietà e processo
    produttivo
  • Zinco e leghe - Classificazioni, processo di
    produzione, zincatura, caratteristiche e proprietà

LEZ.
8
MATERIALI METALLICI FERROSI E NON FERROSIMATERIALI
METALLICI
FERROSIMATERIALI METALLICI FERROSI E NON FERROSI

Definizione di Leghe Metalliche

Per lega metallica si intende la combinazione di due o più metalli puri. Il loro impiego è molto diffuso
perché dalla combinazione di metalli si ottengono prodotti con caratteristiche chimiche, fisiche,
meccaniche e tecnologiche superiori a quelle dei metalli di partenza.
I materiali ferrosi o prodotti siderurgici sono quelle leghe ottenute da minerali di ferro e carbonio per
fusione in altoforno.
I metalli ferrosi sono rappresentati da:

• Ghisa
• Acciaio dolce
• Acciaio al carbonio
• Acciaio inossidabile
• Ferro

Questi metalli sono principalmente utilizzati per la loro resistenza alla trazione e durata, in particolare
l'acciaio dolce che aiuta a sostenere i grattacieli più alti e i ponti più lunghi del mondo.
I metalli non ferrosi sono qualsiasi lega metallica che non includa alcuna percentuale di ferro o che ne
includa una percentuale ridotta, ad eccezione dei metalli nobili. Tra questi :

• Alluminio
• Magnesio
• Rame
• Zinco
• Bronzo
• OttoneMATERIALI METALLICI FERROSI E NON FERROSI

La Ghisa: Classificazione

La ghisa è il primo prodotto di fusione ottenuto dall'altoforno, con un tenore di carbonio compreso tra il
2% e 6,5% e che mediamente non super i 3,5 - 4%.
Le ghise sono facilmente fusibili, dure e fragili; non è possibile sottoporle a lavorazioni malleabili ma hanno
una buona attitudine alla colabilità, rendendosi adatte a lavorazioni per fusione.
Si distinguono in ghise ordinarie e speciali.

• Ghise ordinarie: oltre alla loro composizione chimica, viene aggiunto il silicio
• Ghise speciali: oltre alla loro composizione chimica e dell'aggiunta di silicio, vengono aggiunti allegati
  quali nichel, rame, cromo e molibdeno.

La ghisa bianca ha un'altissima durezza, resistenza all'usura e alla corrosione ma è fragile e difficilmente
lavorabile.
Aggiungendo il 2-3% di silicio si forma la grafite, dovute alla formazione di lamelle grigie in seguito al suo
raffreddamento. Queste ghise grigie sono meno fragili ma anche meno resistenti di quelle bianche.
La ghisa speciale più diffusa è quella sferoidale, detta duttile o nodulare, che si ottiene aggiungendo alla
ghisa bianca magnesio e nichel. Essa presenta un'elevata duttilità e resistenza alla corrosione ed una
resistenza a trazione pari a quella degli acciai più resistenti. È l'unico tipo di ghisa saldabile.MATERIALI METALLICI FERROSI

Gli Acciai: Classificazione

L'acciaio è il secondo prodotto di fusione ottenuto dall'altoforno, derivato dalla ghisa per decarburazione in
acciaieria.
L'acciaio è una lega di ferro e carbonio con tenore in carbonio inferiore al 2%.
In genere sono presenti anche percentuali di altri elementi come il silicio, manganese, fosforo, zolfo,
necessari per conferire particolari caratteristiche al prodotto finito.
Il differente contenuto di carbonio determina prodotti con caratteristiche molto diverse. All'aumentare
della percentuale di carbonio variano le caratteristiche resistenti del prodotto e precisamente:

• Diminuisce la duttilità
• Aumenta la resistenza

Gli acciai possono essere classificati in diverse modalità. La prima è la seguente:

• gruppo I (UNI EN 10027-2): acciai di base e di qualità, detti anche acciai da costruzione di uso
  generale.
• gruppo Il: acciai speciali, differiscono dagli altri acciai per la loro composizione chimica e per il
  trattamento termico che subiscono che conferisce a questi acciai particolari caratteristiche meccaniche.

FMATERIALI METALLICI FERROSI

Classificazione degli Acciai per Contenuto di Carbonio

Per il contenuto di carbonio gli acciai si classificano inoltre in:

• Acciaio tipo I (extra dolce, dolce o ferro), indicato con i simboli Fe37 e Fe45, facilmente saldabile e con
  un elevato limite di snervamento, utilizzati per lamiere, tubi, bulloni, chiodi, ferri da costruzione;
• Acciaio tipo II (semiduro e duro), indicato con i simboli da Fe52 a Fe65 e di scarsa saldabilità, utilizzati
  per componenti di macchine, cavi metallici, tondini per c.a.

Se il contenuto di carbonio è molto basso si hanno metalli teneri e plastici,
data l'importanza della duttilità, gli acciai da carpenteria debbono avere un basso tenore di
carbonio: in linea generale minore dello 0,24%.
Se il contenuto di carbonio è elevato si hanno metalli duri e fragiliMATERIALI METALLICI FERROSI

Classificazione degli Acciai per Elementi Alliganti

Oltre al carbonio possono essere presenti degli ulteriori elementi alliganti aggiunti per lo più sotto forma di
ferroleghe. In base alla composizione chimica gli acciai si possono distinguere in :

• Acciai di base debolmente legati: acciai nel quale i tenori degli elementi di lega rientrano nei limiti indicati
  dalla UNI EN 10020 ("Definizione e Classificazione dei tipi di acciaio"), non è richiesta alcuna prescrizione
  di qualità che comporti precauzioni speciali durante il processo produttivo (tenore di carbonio inferiore allo
  0,2% e somma degli elementi di lega inferiore al 5%).
• Acciai legati o speciali: sono acciai per i quali almeno un limite indicato dalla UNI EN 10020 viene
  superato. Contengono, oltre al ferro ed al carbonio, silicio, manganese, nichel, cromo, che conferiscono
  particolari caratteristiche meccaniche/chimiche (somma degli elementi di lega superiore al 5%). Gli acciai
  speciali sono denominati anche Ex-ten, e Triten, consentono di ottenere strutture con peso limitato poiché
  possiedono un elevato limite di snervamento, con l'aggiunta di rame e cromo assumono una discreta
  resistenza all'ossidazione (CorTen, Itacor e patinabili). Tra gli acciai legati, gli acciai inossidabili o inox sono
  una lega costituiti da acciaio, cromo, nichel e molibdeno. Hanno un uso particolarmente diffuso perché
  resistono in molti ambienti corrosivi e a una vasta gamma di temperatureMATERIALI METALLICI FERROSI

Il Ferro: Classificazione

Il ferro sotto forma di minerale, è il più diffuso nel pianeta, perché costituisce il 34,6% della massa
terrestre e il 5% della crosta. I minerali ferrosi più importanti sono magnetite, ematite, limonite, siderite e
pirite.
Con una temperatura di fusione pari a 1,537°C, per la trasformazione del minerale in ferro è necessario
un processo chimico che si attiva ad elevate temperature.
Per ferro si intende la lega a minore contenuto di carbonio, ovvero inferiore allo 0,1%.
Ha delle caratteristiche meccaniche molto limitate, tale motivo implica il suo scarso utilizzo; quello che
viene comunemente chiamato ferro, in realtà sono delle leghe di ferro a bassa resistenza.

26
Fe
Iron
55.84MATERIALI METALLICI

Processo Produttivo dei Metalli

Il processo di produzione dei metalli
si articola in una prima macrofase
di lavorazione
della materia,
articolata in:

• Approvvigionamento
• Preparazione
• Affinazione
• Fusione del minerale
• Eventuale bonifica

Oltre
queste
operazioni,
si
aggiungono altre lavorazioni utili alla
definizione del manufatto:

• Formatura
• Lavorazioni secondarie (taglio,
  trapanatura, fresatura, ecc .. )

L'acciaio
può essere prodotto
partendo
dal minerale grezzo,
attraverso
il
ciclo della ghisa
mediante soffiaggio di ossigeno in
convertitori o attraverso il ciclo in
forni
Martin-Siemens
o
£
forni
elettrici.

COLATA IN
LINGOTTIERE
Convertitore
a ossigeno
Forno
elettrico
COLATA
CONTINUA
Siviera
Siviera
Acciaio fuso
Lingottiera
Laminazione
primaria
Lamiere
Profilati - rotaie
Barre - tubi
PREPARAZIONE MATERIE PRIME
ALTOFORNO
Minerale di
ferro
Fondenti
Carbon
fossile
Agglomerazione
Carica
ghisa
Forno
Lancia
Cokeria
Loppa
Ghisa
Ghisa
Coke
Carro siluro
Soffiaggio
ossigeno
Sottoprodotti
LAMINAZIONE SECONDARIA
Colata acciaioMATERIALI METALLICI

Processo Produttivo: Formatura

La formatura dell'acciaio è una tecnica utilizzata per dare forma all'acciaio mediante l'applicazione di forza
meccanica, calore o entrambi. Includere varie operazioni.
Queste tecniche sono:

• Laminazione: Riduzione in lamine del profilo di un manufatto metallico. Viene eseguita a caldo o a
  freddo. Per manufatti con spessori superiori 3 mm si impiega la laminazione a caldo, con temperature
  tra 1,000 - 1,300°C. Per spessori inferiori si può laminare a freddo. Una volta laminati a freddo,
  subiscono un processo di ricottura, per poter ridurre l'incrudimento.
• Estrusione: Generalmente utilizzata per l'alluminio. Consiste nella riduzione di sezione mediante il
  passaggio forzato tramite pressione attraverso una matrice
• Trafilatura: Consiste in una graduale riduzione di sezione attraverso dei fori con diametro decrescente.
  Questo tipo di lavoro è effettuato a freddo e si ottengono barre, tubi e fili
• Stampaggio: Avviene dopo aver riscaldato il pezzo fino a 950 - 1,300℃ ed avviene attraverso un
  apposito stampo che attraverso pressione conferisce una deformazione plastica. Al termine
  dell'operazione di stampaggio, i pezzi metallici sono ricoperti da croste di ossido e rimosse attraverso
  decapaggio o processo chimico

Estrusione diretta
Filiera
Pistone
Materiale
fuso
Recipiente
Metallo
Filiera
Raffreddamento
Laminazione
Estrusione inversa
Estrusione
H
Trafilatura
StampaggioMATERIALI METALLICI

Tecniche di Formatura dell'Acciaio

La formatura dell'acciaio è una tecnica utilizzata per dare forma all'acciaio mediante l'applicazione di forza
meccanica, calore o entrambi.
Queste tecniche sono:

• Piegatura: Eseguita attraverso incudine e martello ed eseguita a freddo. Il semilavorato viene
  deformato con un carico superiore al limite elastico per ottenere una deformazione permanente.
• Tranciatura e punzonatura: Avvengono attraverso una matrice ed un punzone e consentono di
  ottenere fori complessi. Nella tranciatura la parte asportata è il pezzo, nella punzonatura la parte
  asportata è lo sfrido. La separazione delle parti avviene al raggiungimento della rottura del pezzo
• Fucinatura: Si esegua a caldo o a freddo; la forma viene creata attraverso la forza di compressione
  per battere il metallo con appositi utensili.
• Bonifica: Combinazione del trattamento di tempra e rinvenimento. La tempra consiste nel riscaldare il
  materiale con temperatura >550℃ per poi raffreddarlo in modo repentino, influenzando la
  ricristallizzazione e si può effettuare in acqua o in olio; il rinvenimento viene eseguito dopo la tempra e
  consiste nel riscaldare nuovamente l'acciaio fino a ridurre in parte l'elevata densità dell'acciaio e serve
  a ridurre la fragilità dell'acciaio

SFRIDO
PEZZO
FEZZQ
SFRIDO
tranciatura
punzonatura
I
punzone
P
1
lamiera
matrice
pezzo tranciato
Piegatura
Piegatura
Fucinatura