Metalli e leghe

Molti di voi avranno già letto queste cose su hondacb. Le riposto ora qui perchè quando, qualche giorno fa, ho detto di cancellare la mia utenza, l'amministrazione ha cancellato anche tutti i miei messaggi compresa la discussione "Metalli e leghe". A suo tempo ho fatto fatica a scriverla e mi dispiace vada persa. Ho un po’ modificato l’ordine degli argomenti e fatto qualche ritocco. Vi assicuro comunque che è, come del resto l'autore, l'originale e non un doppione. Diffidate delle imitazioni

METALLI e LEGHE

I metalli e le loro leghe presentano caratteristiche molto peculiari e diverse da altre sostanze solide.
Alcuni esempi:
• Sono tenaci (resistono alla rottura se sottoposti a trazione).
• Sono elastici (tendono a riprendere la forma primitiva dopo una deformazione momentanea prodotta da un'azione meccanica esterna).
• Hanno temperature di fusione molto elevate (in genere sopra i 1000°C e alcuni anche sopra i 3000°C).
• Sono duttili (possono essere ridotti in fili).
• Sono malleabili (possono essere ridotti in lamine).
Alcune tra queste caratteristiche (p.e. tenacia e duttilità) possono sembrare in contraddizione ma si spiegano facilmente considerando la struttura del metallo stesso.
Proviamo ad assumere che gli atomi che compongono il metallo siano sfere, la loro disposizione sarà quella rappresentata nella Fig.1 (in pratica simile alle pile di arance nei supermercati). Le file di sfere si estendono in tutte le direzioni dello spazio e formano quello che viene definito reticolo, un pezzo di metallo è composto da un numero infinito di sfere. A titolo di esempio basta pensare che in 55,84 grammi di ferro sono contenuti 602205000000000000000000 atomi (sfere). Le sfere (atomi) sono tenute unite da legami molto forti e questo giustifica l’alta tenacità e l’elasticità. Tuttavia, se la forza applicata è sufficiente, gli strati possono scorrere uno sull’altro senza disgregare il tutto e questo spiega duttilità e malleabilità. Tutti i metalli hanno strutture simili a questa, ciò che fa variare le loro caratteristiche meccaniche è principalmente l’entità delle forze che tiene unite le sfere e il peso delle sfere stesse.
Anche le leghe sono basate su strutture simili a questa e si dividono essenzialmente in due tipi denominati “leghe interstiziali” e “leghe di sostituzione”.
Vediamo prima le leghe interstiziali, nella struttura in fig.1 si può notare che nei punti di contatto tra tre sfere rimane una piccola cavità (o interstizio) che può essere riempita da sfere (atomi) più piccole come in fig.2
Le sfere più piccole possono essere costituite da vari elementi, di gran lunga l’esempio più comune e che troviamo molto spesso nei motori è l’acciaio che è una lega interstiziale di ferro e carbonio. Come si vede dalla fig.2 la presenza del carbonio (sfera grigia) non varia la struttura del ferro (sfera rossa) ma ne varia notevolmente le caratteristiche, banalmente lo scorrimento degli strati uno sull’altro è reso più difficile e questo fa variare le caratteristiche meccaniche in maniera notevole.
Rimanendo all’esempio degli acciai, tutta la gamma degli acciai, dal dolce all’armonico ecc., contiene quantita di carbonio che variano dallo 0,1 al 2,2%, in pratica piccole variazioni del contenuto di carbonio fanno variare in maniera rilevante durezza, tenacità e lavorabilità del materiale. Un aumento ulteriore del contenuto di carbonio fino a circa 4% produce quelle che comunemente vengono chiamate ghise e che sono durissime ma fragili e di difficile lavorabilità.
Nelle leghe di sostituzione la struttura di base rimane sempre la stessa ma alcuni atomi di metallo vengono sostituiti in modo più o meno ordinato da sfere (atomi) di altri metalli che hanno circa le stesse dimensioni fig. 3. Anche in una lega di questo tipo le caratteristiche meccaniche variano molto con la composizione e con il tipo di metalli impiegati.
Esistono, e sono molto importanti in meccanica, anche leghe miste “interstiziali e di “sostituzione”, un caso molto comune è l’acciaio inox che può essere rappresentato dalla figura 4 dove le sfere rosse rappresentano il ferro, le verdi il cromo, le gialle il nichel, e le nere il carbonio.
Un tipico acciaio inox, credo il più diffuso sia per pentole e stoviglie, contiene oltre al ferro
il 18% di cromo, il 10% di Nichel e lo 0,6% di carbonio. Ognuno dei componenti conferisce caratteristiche particolari a volte in contrasto tra loro. Le percentuali e il tipo di metalli aggiunti, come vedremo in seguito, sono molto spesso un compromesso tra resistenza meccanica, durezza, lavorabilità e, soprattutto per parti di precisione, dilatazione termica.

Disposizioni Spaziali

Le caratteristiche meccaniche di un metallo dipendono dalle forze attrattive tra gli atomi (legami) e dalle dimensioni degli atomi stessi ma anche, e in maniera spesso rilevante, dalla geometria con la quale gli atomi si dispongono nello spazio.
Succede che lo stesso metallo e con la medesima purezza possa presentare caratteristiche sensibilmente diverse.
Ad esempio il titanio, che verrà descritto più avanti, può essere in una fase alfa (meno duttile e quindi scarsamente deformabile) che a circa 880°C si trasforma in una forma beta (più duttile e quindi più deformabile) che a sua volta è stabile fino a fusione (circa 1700°C).
Se ricordate nel primo post ho assimilato gli atomi che compongono il metallo a sfere che s’impaccano tra loro (fig. 1) formando uno strato a due dimensioni. Questo non è completo perché gli oggetti hanno ovviamente tre dimensioni: lunghezza, larghezza e altezza, quest’ultima è data dalla sovrapposizione di più strati uno sull’altro (tipo pile di arance al supermercato). Ogni sfera del secondo strato va a occupare gli incavi che si formano nel primo strato in modo da avere la posizione più stabile possibile. Il terzo strato può a sua volta sovrapporsi al secondo in due modi diversi.
Nel primo caso (fig. 5) avremo una struttura che è detta esagonale impaccata nel secondo caso (fig. 6) la struttura è detta cubica impaccata. Una terza struttura che è rappresentata in fig. 7 è detta cubica a corpo centrato.
Queste tre forme sono di gran lunga le più comuni adottate dai metalli, e oltre che per la geometria differiscono per il numero di piani di scorrimento di uno strato sull’altro. I piani di scorrimento possibili sono molto importanti perché influiscono sulla deformabilità del metallo: più numerosi sono i piani di scorrimento più il metallo è duttile e malleabile. Al contrario se i piani di scorrimento sono pochi il metallo sarà duro e poco lavorabile. Una struttura cubica a corpo centrato (fig. 7) come quella del titanio beta contiene un maggior numero di piani di scorrimento rispetto a quelli presenti nella forma esagonale impaccata (fig. 5) alfa, e questo rende il titanio beta più facilmente deformabile e lavorabile del titanio alfa.
La presenza di elementi interstiziali (carbonio, azoto, boro ecc), che occupano le piccole cavità che si formano tra i vari strati, rende più difficile lo scorrimento di uno strato sull’altro impartendo al materiale caratteristiche meccaniche diverse.
Un’ultima considerazione: le leghe di sostituzione che un metallo può formare non sono infinite, affinché due o più metalli si possano combinare efficacemente per formare una lega è necessario che le dimensioni dei loro atomi (sfere) siano molto simili. La combinazione di due metalli con dimensioni molto diverse produrrebbe forti distorsioni da una geometria regolare come quella delle strutture delle figg. 5, 6 e 7. In una struttura distorta il contatto tra le varie sfere o atomi è meno efficace e quindi le forze che tengono unite le sfere sono ridotte e provocano fragilità.

PRINCIPALI PROCESSI DI FONDERIA.

Fucinatura o forgiatura
E’ un processo di lavorazione di pezzi metallici per deformazione a caldo. Comprende quindi, come operazione preliminare, il riscaldamento in forno del pezzo da lavorare al disotto della temperatura di fusione. Il pezzo viene poi messo ancora caldo nella pressa o nel maglio. Questi ultimi sono muniti di stampi di acciaio speciale che riproducono in negativo la forma che si vuole ottenere.
La fucinatura fra l'altro migliora le caratteristiche meccaniche del materiale e ne affina la grana (in pratica, se ricordate le prime figure sulle disposizioni degli atomi di un metallo o lega, avvicina i vari atomi eliminando o riducendo i difetti e i buchi nel reticolo). Il metallo fucinato è più duro e più duttile di un pezzo prodotto per fusione e presenta una maggiore resistenza alla fatica e agli urti.
Con questo processo l’alluminio (nella produzione dei pistoni) e rame si lavorano a freddo, mentre il ferro e l’acciaio (p.e. bielle) a caldo.

Colata in conchiglia
La conchiglia è un particolare tipo di forma da fonderia impiegato per la produzione di pezzi in ghisa, bronzo, ottone, alluminio e leghe leggere in genere. La conchiglia è costituita da almeno due parti metalliche che vengono unite per formare una cavità nella quale si cola il metallo fuso e poi separate dopo la solidificazione del pezzo.
La caratteristica principale della tecnica è che il raffreddamento della superficie del pezzo è molto rapido. Se si impiega ghisa, il pezzo risulta temprato solo in superficie (ghisa bianca, dura ma fragile e non lavorabile con macchine utensili) mentre l’interno del getto è costituito da ghisa grigia che è tenera e lavorabile1. Nella lavorazione di leghe di alluminio questa tecnica consente di ottenere pezzi più compatti, duri e resistenti di quelli ottenuti su stampi in terra. Le tolleranze di questa tecnica variano dallo 0,3 allo 0,6%.
1Esiste anche una ghisa detta sferoidale che ha elevate proprietà meccaniche e, contrariamente a tutte le altre ghise, è duttile e spesso usata per produrre le bielle.

Pressofusione
Procedimento di colata che consiste nell’introduzione forzata di metallo allo stato liquido o pastoso in uno stampo, detto anche conchiglia, di acciaio con elevate caratteristiche di resistenza al calore e all’erosione superficiale prodotte dal metallo fuso. Il procedimento è in genere usato per leghe non ferrose, soprattutto alluminio e leghe di rame, e consente di ottenere in serie pezzi, anche molto complessi, di elevate caratteristiche meccaniche e buona finitura superficiale riducendo al minimo le lavorazioni meccaniche successive.


Queste prime tre tecniche sono usate per le grandi produzioni e prevedono che lo stampo (detto anche forma o conchiglia) venga riutilizzato innumerevoli volte.
Vi sono anche alcune tecniche che vediamo di seguito nelle quali la forma del pezzo si ricava in un aggregato di sabbia o terra. La forma viene quindi perduta dopo l'estrazione del pezzo. Il modello che serve per fare lo stampo nella sabbia può essere permanente (legno o metallo) o perduto (cera persa, polistirene espanso).

Colata in sabbia
Questa tecnica presenta diverse varianti (manuale, meccanica, sottovuoto), in tutti i casi prevede un modello permanente, con la stessa forma del getto da ottenere, che serve per fare lo stampo nella sabbia contenuta in opportune staffe.
Nella cavità ottenuta nella sabbia, verniciata per migliorare la superficie del getto, si cola poi il metallo fuso. La forma in sabbia viene usata una sola volta e con opportune modifiche della sua composizione può essere usata per getti di ferro, acciaio, bronzo, ottone, alluminio, leghe di magnesio e leghe in genere. La grandezza del pezzo che si può ottenere può giungere fino a 1000 kg e il sistema può essere usato nella produzione di serie. I pezzi ottenuti sono caratterizzati da un’elevata uniformità e le tolleranze del getto variano dal 1,5 al 3%.
Questa tecnica è molto usata in capo motoristico soprattutto per produrre parti complesse quali corpo motore o testate.

Colata in cera persa
Caratteristica del sistema è l'impiego di un modello di cera che viene volatilizzato dal metallo liquido che entra nella forma. Per migliorare la produttività, i pezzi vengono sistemati a grappolo. La colata può avvenire sia immergendo il grappolo in una miscela refrattaria che poi viene fatta solidificare, sia rivestendo il grappolo con un semplice guscio refrattario. Caratteristiche dei getti (dai più piccoli ai più grandi) è quella di riprodurre con precisione i dettagli del modello. Le tolleranze variano dallo 0,3 allo 0,7%. Nota fin dall’antichità è stata usata per i bronzi di Riace.

Tecnica a schiuma persa
E’ in sostanza un’evoluzione della colata in cera persa.
Questo sistema impiega un modello di polistirene espanso, copia del pezzo che si vuole ottenere, che viene annegato in una massa di sabbia. Il modello di polistirene viene anche verniciato per ottenere una superficie liscia. L'ingresso del metallo liquido volatilizza il polistirene che viene sostituito dal metallo. Con questo sistema si possono colare anche pezzi di notevole grandezza e le tolleranze raggiungibili vanno dal 2 al 4%.
L’impiego prevalente è in campo motoristico per pezzi di grandi dimensioni, tuttavia il sistema si presta molto bene alla realizzazione di qualunque tipo di pezzo cavo con contorni irregolari.

Sinterizzazione
Un ultimo processo è quello di sinterizzazione, detta anche metallurgia delle polveri,
è una tecnica che non prevede la fusione del materiale e viene utilizzata soprattutto per materiali compositi o con alte temperature di fusione (p.e. Tantalio 3000 °C, molibdeno 2600°C, Tungsteno 3400°C). Trova numerose applicazioni in campo motoristico, mi vengono in mente i filamenti delle lampadine, le pastiglie dei freni, parti di ammortizzatori e anche alcuni tipi di bielle.
Gli elementi della lega in forma polverulenta sono miscelati tra loro con sostanze lubrificanti sino ad ottenere una miscela omogenea. La polvere ottenuta viene compattata dentro stampi di forma opportuna sotto pressione e successivamente riscaldata in atmosfera controllata (p.e. idrogeno e azoto) ad una temperatura che in genere è circa due terzi di quella necessaria alla fusione. In questo modo gli elementi legano tra loro e possono diffondere nel materiale riducendo le cavità e creando un reticolo continuo e ordinato che impartisce al pezzo ottime caratteristiche meccaniche.

TRATTAMENTI TERMICI

Le qualità meccaniche di metalli e leghe sono sempre un compromesso tra varie caratteristi- che, come abbiamo visto, sono in contraddizione tra loro. Basti pensare ad esempio ad un albero motore che deve essere elastico per sopportare la spinta che riceve da bielle e pistoni al momento dello scoppio e contemporaneamente duro nei punti d’attrito con bielle e bronzine di banco.
Il giusto compromesso viene raggiunto molto spesso con trattamenti termici che comprendono tutti i procedimenti che consentono di modificare la struttura o la costituzione chimica di una lega metallica con l’azione del calore. Sono particolarmente importanti per gli acciai ma si effettuano anche su altri materiali (ghise,leghe leggere ecc)
I trattamenti principali che modificano la struttura dell’acciaio sono: la tempra, il rinvenimento, la ricottura, la normalizzazione; quelli che ne modificano la composizione chimica sono la cementificazione e la nitrurazione.

Tempra
La tempra provoca negli acciai un aumento di durezza. Si effettua riscaldando il pezzo da trattare a una data temperatura e poi lo si raffredda bruscamente in un liquido refrigerante che può essere ad esempio acqua o olio.
Gli acciai sono più temprabili quanto più elevata è la loro percentuale di carbonio; acciai poveri di carbonio non si temprano. Per uno stesso tipo di acciaio, la tempra è tanto più forte quanto più bassa è la temperatura del bagno refrigerante e dipende anche dal tipo di bagno (l’acqua ad esempio da una durezza maggiore dell’olio). La tempra oltre ad un aumento di durezza produce nell’acciaio anche una diminuzione della tenacità e da luogo al formarsi di tensioni interne che possono provocare deformazioni e rotture (vedi martensite).

Rinvenimento
Il rinvenimento ha lo scopo di eliminare le tensioni interne negli acciai temprati e di restituire loro parte della tenacità primitiva. Si effettua riscaldando nuovamente il pezzo temprato ad una temperatura notevolmente inferiore a quella di tempra e raffreddandolo poi rapidamente. Il rinvenimento, oltre ad un aumento della tenacità, determina anche una diminuzione della durezza tanto più sensibile quanto più elevata e la temperatura di rinvenimento.
Il trattamento di tempra seguito dal rinvenimento prende il nome di bonifica.

Ricottura
La ricottura consente di ridurre od annullare gli effetti della tempra, eliminare le tensioni interne e gli incrudimenti dovuti a fusioni o a lavorazioni plastiche e in generale omogeneizzando la struttura rende gli acciai più facilmente lavorabili dalle macchine utensili. Si effettua riscaldando il pezzo e lasciandolo poi raffreddare lentamente.


Normalizzazione
La normalizzazione è un trattamento termico affine a quello di ricottura e si esegue riscaldando i pezzi e lasciandoli poi raffreddare all’aria. Rende omogenea la struttura del materiale ed è particolarmente indicata come trattamento preliminare alla tempra.

Cementazione
La cementazione consiste nell’aumentare il tenore di carbonio negli strati superficiali degli acciai a basso tenore di carbonio (acciai dolci). Si effettua riscaldando in forno i pezzi da trattare ricoperti e circondati da sostanze ricche di carbonio (dette cementi). facendo seguire alla cementazione il trattamento di tempra si ottiene un forte indurimento dello strato cementato mentre il cuore del pezzo, essendo povero di carbonio non indurisce e conserva la propria tenacità. In questo modo si ottengono pezzi resistenti sia all’usura che agli urti.
La profondità della cementificazione in genere non supera 1-1,5 mm.
Cementazioni rapide si possono ottenere riscaldando i pezzi al calor rosso (circa700 °C) con il cannello ossiacetilenico e cospargendo poi le superfici da trattare con le apposite polveri cementanti, l’azione in questo modo è immediata ma la profondità dello strato cementato è minima.

Nitrurazione
La nitrurazione ha lo scopo di provocare la diffusione di azoto negli strati superficiali di alcuni acciai speciali. Le superfici nitrurate risultano dure e resistenti sia alla corrosione sia alle alte temperature. Questo trattamento non richiede un successivo trattamento di tempra, non da luogo a deformazioni apprezzabili e può quindi essere eseguito anche su pezzi finiti.
la profondità della nitrurazione non supera in genere il mm.

Acciai e ghise

Le leghe ferro-carbonio, dette acciai o ghise, rivestono molta importanza nei motori. Sono infatti in acciaio gli ingranaggi, gli spinotti, le valvole, i cuscinetti a rotolamento, le molle e in molti casi gli alberi a gomiti e le bielle. Sono realizzati in ghisa i basamenti di molti motori e assai spesso anche gli alberi a gomiti e le bielle mentre stanno progressivamente scomparendo dalla scena le teste in questo materiale, ormai pressoché completamente sostituite da quelle in lega leggera.

Come già accennato le caratteristiche fisico - meccaniche degli acciai variano al variare del tenore di carbonio (C) contenuto, in base al contenuto di carbonio C ed alla conseguente durezza, gli acciai sono classificati in:
− extradolci: con C minore 0,15%;
− dolci: con C variabile tra 0,15-0,25%;
− semiduri: con C variabile tra 0,25-0,50%;
− duri: con C variabile tra 0,50-0,75%;
− extraduri: con C maggiore 0,75%.

Man mano che cresce il tenore di carbonio, aumenta nell’acciaio la quantità di cementite con conseguente aumento di durezza e resistenza, oltre che di fragilità.
Come si vede da Fig. 8, le tre proprietà (cioè carico di rottura σR, limite elastico σE, e durezza H) crescono al crescere del tenore di carbonio, mentre le altre tre (allungamento ε, strizione C e resilienza Kv) diminuiscono.
Ciò significa che un acciaio comune che debba essere molto tenace, cioè un acciaio extradolce o dolce, non potrà avere nello stesso tempo durezza e resistenza; un altro che debba essere molto duro ed elastico, come per esempio un extraduro, non potrà essere molto tenace, ma sarà piuttosto fragile.
Prima di essere sottoposti al trattamento termico, la maggior parte degli acciai sono una miscela di tre sostanze: ferrite, perlite e cementite. La ferrite, tenera e duttile, è ferro contenente piccole quantità di carbonio e altri elementi; la cementite, molto brillante e dura, è costituita da ferro che contiene circa il 7% di carbonio; la perlite è una miscela omogenea di ferrite e cementite con proprietà intermedie tra quelle dei due costituenti.
La tenacità e la durezza di un acciaio non sottoposto a trattamento termico dipendono dalle proporzioni delle tre sostanze. All’aumentare della percentuale di carbonio contenuto nell’acciaio, la quantità di ferrite diminuisce e quella di perlite aumenta, finché, quando il contenuto di carbonio raggiunge lo 0,8%, l’acciaio risulta costituito interamente da perlite. Aumentando ulteriormente la percentuale di carbonio, l’acciaio diventa una miscela di perlite e cementite.
Il riscaldamento dell’acciaio a temperature comprese fra 760 °C e 870 °C trasforma la ferrite e la cementite in una forma di lega ferro-carbonio, conosciuta come austenite. A questo punto, se l’acciaio viene raffreddato lentamente, l’austenite si trasforma nuovamente in ferrite e perlite; se invece il raffreddamento è repentino, l’austenite viene “congelata” e diventa martensite, estremamente dura ma fragile. In questo procedimento di raffreddamento rapido che viene definito tempra, l’acciaio subisce modifiche nella struttura e nella geometria (Fig. 9) che portano a tensioni interne e possono portare alla deformazione del pezzo nelle condizioni di uso.

ALLUMINIO

L’alluminio ha caratteristiche molto favorevoli all’ impiego in meccanica (p.e. pesa a parità di volume un terzo dell’acciaio, ha elevata resistenza alla corrosione, eccellente duttilità e malleabilità, si salda abbastanza facilmente con strumenti opportuni). Inoltre, scioglie facilmente (si combina) molti altri metalli tipo rame, magnesio, zinco, manganese che vengono aggiunti per formare le cosidette leghe madri che sono leghe di sostituzione. A queste ultime, per esigenze particolari, vengono poi aggiunte tracce di altri elementi tipo zirconio, titanio, cromo, scandio che hanno la funzione di correggere difetti della lega.
Anche qui, come nell’acciaio, ognuno degli elementi ha un effetto particolare:
zinco: aumenta la resistenza meccanica;
magnesio: aumenta la resistenza alla corrosione;
manganese: aumenta resistenza alla corrosione e meccanica.
La classificazione delle leghe di alluminio prevede un numero a quattro cifre seguito da lettere che indicano il tipo di lavorazione. La prima cifra indica l’elemento o gli elementi principali, pe 1 alluminio con purezza superiore al 99,00%; 6 alluminio, magnesio, silicio; 7 alluminio e zinco.
In particolare due leghe molto utilizzate in meccanica.
6xxx (Anticorodal) è costituita da alluminio magnesio e silicio, è molto usata per telai di moto e bici, buona resistenza alla corrosione e, seppur non pari ad altre leghe di alluminio tipo ergal o avional, buona resistenza meccanica.
7xxx (Ergal) ve ne sono svariati tipi definiti dalle ultime tre cifre.
Queste leghe sono a base di alluminio e zinco, lo zinco aumenta molto la resistenza meccanica tuttavia riduce la resistenza alla corrosione e quindi va aggiunto all’alluminio in combinazione con il magnesio. La lega madre è quindi composta da alluminio, zinco e magnesio.
Spesso le leghe con elevata resistenza meccanica presentano fenomeni di notevole corrosione e devono essere protette con stabilizzanti specifici che nel caso dell’Ergal sono piccole quantità di argento e zirconio. Gli Ergal hanno alta resistenza meccanica (una tipica, non ne ricordo il numero, ha resistenza di circa 6000 Kg/mm2 che va confrontato con oltre 10000 dell’acciaio.
Gli Ergal sono usati su parti molto sollecitate in aeronautica e mezzi di trasporto in generale per la loro leggerezza. Sono facilmente lavorabili tuttavia nella gran parte dei casi, come diceva Antonio, difficilmente saldabili.
Titanal, è un tipo di ergal, contiene all’incirca 90% di alluminio, 2% di rame, 7.0% di zinco, 2,5% di magnesio, 0.1% di zirconio, cromo, titanio.
Presenta caratteristiche ottime, rispetto al titanio è più leggero e ha carichi di snervamento 2-3 volte superiori. Molto usato nell’industria sciistica.

TITANIO

Il titanio è stato definito “il metallo meraviglioso” per le sue proprietà molto particolari e utili. E’ un metallo bianco argenteo con temperatura di fusione molto alta (1667 °C) e notevole durezza. Si trova in natura sottoforma di un ossido che è detto rutilo. Nonostante sia molto abbondante in natura, tra i metalli è al quarto posto per abbondanza sulla crosta terrestre dopo alluminio, ferro e magnesio, la sua scoperta e il suo ottenimento allo stato metallico (verso la metà del 1800) sono recenti in confronto ad altri metalli. Questo ritardo è dovuto alla difficoltà del processo di ottenimento allo stato metallico (impurezze di carbonio, azoto o ossigeno lo rendono molto fragile), e alle difficoltà di lavorazione che oltretutto lo rendono un metallo molto costoso.
Lo stato metallico del titanio si presenta in due diverse forme che interconvertono con la temperatura:
? meno duttile e quindi scarsamente deformabile che è stabile fino a 882°C;
? più duttile e quindi più deformabile stabile a temperatura > 882°C;
Questo, se da una parte, permette trattamenti a caldo tipo tempra o rinvenimento può creare problemi dovuti al surriscaldamento durante la lavorazione e nelle condizioni di lavoro.
Attualmente viene prodotto in due categorie di materie prime:
I. titanio commercialmente puro (Ti>99%), indicato commercialmente con la sigla ASTM CP (classificato nei gradi 1, 2, 3, 4 soprattutto a seconda della purezza e del contenuto di ossigeno);
II. leghe di titanio, con una percentuale di titanio variabile da 80 a 98%, principalmente unito ad alluminio, vanadio, stagno e cromo.

Le caratteristiche principali del titanio sono:

Bassa densità, quindi grande leggerezza (4,5 g/cm3 del titanio in confronto ad esempio con i 2,7 g/cm3 dell’alluminio, oppure 8,96 g/cm3 del rame); a parità di volume pesa circa il 50% del rame, il 60 % dell'acciaio e circa 1 volta e mezzo dell’alluminio. A parità di resistenza il titanio è più leggero del 42% rispetto all’acciaio

Elevata resistenza alla corrosione, all’abrasione, all’impatto, al taglio, ai raggi UV;
Le caratteristiche di eccellenza del titanio nella resistenza alla corrosione nella maggior parte degli ambienti ossidanti (per quanto riguarda la corrosione atmosferica con qualsiasi tipo di inquinamento, dalle emissioni urbane a quelle industriali, dall’ambiente marino al tropicale) si devono alla spontanea passivazione con formazione di strati ossidati superficiali molto stabili ed aderenti. In caso di graffiature o abrasioni lo strato protettivo si ripristina spontaneamente in brevissimo tempo. Questo rende la resistenza alla corrosione del titanio al di sopra di quello dei metalli di maggiore resistenza utilizzati attualmente (acciaio inox, alluminio, bronzo marino).

Elevata inerzia termica e buona resistenza al calore;
A causa dell'elevata inerzia termica, a parità di esposizione al sole, il titanio risulta "freddo" in confronto a materiali di uso comune e di pari spessore tipo rame, acciaio, alluminio e, viceversa, "caldo” alle basse temperature ambiente.
Inoltre il coefficiente di espansione termica è circa il 50% di quello dell'acciaio inossidabile e del rame; questa proprietà gli permette di essere molto più compatibile con ceramiche e vetri rispetto ad altri metalli.

Buona lavorabilità e saldabilità
La lavorabilità del titanio, in generale, non è più difficile di quella dell’acciaio inossidabile. Solamente le leghe possono presentare una maggiore difficoltà di lavorazione. Non presenta particolari problemi, invece, la lavorazione del titanio ASTM CP, a patto di interpretare correttamente le sue caratteristiche chimico-fisiche. Tali caratteristiche condizionano molto la sua lavorabilità. Tra le più importanti:
1) la bassa conducibilità termica del materiale, il calore generato dall’azione di taglio non viene dissipato velocemente per conduzione all’interno del pezzo in lavorazione e si concentra sul bordo di taglio e sulla faccia dell’utensile. Le alte temperature raggiunte possono portare a rinvenimento del titanio e smussatura dei taglienti con conseguente ulteriore innalzamento della temperatura e rapido deterioramento dell’utensile;
2) la grande reattività chimica con quasi tutti i materiali, soprattutto ad elevata temperatura, che può provocare abrasioni, microsaldature e spalmature con gli utensili da taglio;
3) l’elasticità, può dare inizialmente qualche difficoltà di lavorazione. Sotto la pressione dell’utensile, il materiale “elastico” tende ad allontanarsi dalla zona di taglio soprattutto nelle passate “leggere”. Le parti più sottili si deflettono ed l’utensile più che tagliare tende a strisciare sul pezzo provocando vibrazioni ed inducendo una ulteriore produzione di calore.

Saldabilità: il titanio necessita di tecnologie di saldatura particolari: tecnica TIG (TungstnInertGas) mentre le sue leghe si possono anche brasare.

Non inquina e non è tossico;
Viene largamente usato in bioingegneria per realizzare protesi mediche. Si sfruttano la leggerezza, la resistenza, la biocompatibilità e la grande affinità dell’ossido che lo ricopre per il calcio contenuto nelle

Colorazione
Un aspetto caratteristico del titanio è sicuramente la varietà di colorazioni che può assumere.
Tutti i metalli, ad eccezione di rame e oro, hanno tonalità di colore più o meno chiare comprese tra il grigio ed il bianco. A volte le superfici appaiono colorate (ferro-rosso, argento-nero, rame-verde) ecc. questo si verifica perché si ricoprono di patine di prodotti di corrosione e ne assumono il colore. In alcuni casi invece, ed è il caso del titanio, i colori sui metalli sono dovuti alla presenza sulla superficie di pellicole sottili di ossidi che pur essendo incolori e trasparenti sono in grado di riflettere e di rifrangere la luce e quindi di dar luogo a varie colorazioni. (E’ un fenomeno molto simile a quello che provoca la colorazione blu del cielo o a quello del prisma di vetro che scompone la luce bianca nei sette colori dell’iride).
Risparmio fatica e copio integralmente da Pedeferri che una trentina di anni fa ha messo a punto la tecnica di colorazione del titanio e la spega meglio di me:
“La strada maestra per ottenere la colorazione del titanio – spiega Pedeferri - è quella di ossidare il metallo per via elettrochimica, immergendolo cioè in una soluzione elettrolitica e collegandolo con il polo positivo di un generatore di corrente, il cui polo negativo viene invece connesso a una piastra metallica. Se il potenziale applicato alla cella viene portato da qualche volt a più di cento volt, lo spessore della pellicola incolore, sempre presente sulla superficie del metallo, passa da pochi milionesimi di millimetro (nanometri) a qualche centinaia, e i suoi colori cambiano nella sequenza: giallo - porpora - blu - azzurro - argento - giallo - rosa - violetto - cobalto - verde - verdegiallo - rosa - verde. Con opportuni bagni galvanici, oltre ai colori di interferenza appena elencati, è possibile ottenere anche tinte marroni, grigie e nere.“

TITANIO (continua)

Il titanio ad alte temperature (in genere superiori a 600°C) è assai reattivo nei confrontti di molti elementi e il suo ottenimento allo stato metallico richiede processi ad alte temperature; questo rende difficile ottenere materiali ad alta purezza.
Il titanio definito "commercialmente puro" (CP) contiene, oltre a titanio in percentuali variabili tra il 99.01% e il 99.5%, impurità residuali dei processi di ottenimento costituite soprattutto da azoto, carbonio, idrogeno, ossigeno e ferro. A rigore il titanio CP è una lega di titanio e di elementi interstiziali; l’ASTM (American Society for Testing and Materials) ha stabilito per il “titanio puro” una classificazione, attualmente mi risulta, in quattro gruppi, alcune fonti riportano sei, detti rispettivamente gradi 1, 2, 3 e 4. Per ciascuno di tali gruppi sono stati definiti il contenuto massimo di ossigeno e i valori minimi di alcune caratteristiche meccaniche.
Grado 1: E’ il titanio più puro, il contenuto di ossigeno è basso. Questo materiale ha basso carico di rottura ed alta duttilità, viene soprattutto utilizzato per lo stampaggio ed è adatto alla deformazione a freddo.
Grado 2: Il contenuto di ossigeno è maggiore e il metallo presenta una maggior resistenza rispetto al grado 1. E' il titanio commercialmente puro più largamente usato e offre il miglior compromesso di resistenza, saldabilità e formabilità.
Grado 3: Il contenuto di ossigeno è ancora maggiore del grado 1 e 2. E’ caratterizzato da maggior resistenza e minor duttilità ed inoltre è ben saldabile. Viene utilizzato per la costruzione di recipienti in pressione.
Grado 4: Le caratteristiche di resistenza sono le più elevate. Viene utilizzato per organi di trasmissione e nell'industria aeronautica.

Generalmente, il titanio CP è utilizzato in applicazioni in cui si desidera un’ottima resistenza a corrosione ed in cui l’alta resistenza meccanica non è un fattore determinante. Nel titanio CP, inoltre, l’ossigeno funziona da rinforzante controllato: la resistenza aumenta se aumenta la quantità di ossigeno all’interno di un intervallo ben determinato, troppo ossigeno produce un infragilimento del materiale. Nonostante i vari gradi di titanio CP non abbiano resistenza simile alle leghe di titanio, coprono un intervallo relativamente ampio di livelli di resistenza e sono vastamente utilizzati.
Le qualità a bassa resistenza meccanica sono usate generalmente in applicazioni nelle quali sono richieste resistenza alla corrosione ed ottima formabilità; le qualità ad alta resistenza sono utilizzate spesso per applicazioni simili, ma con requisiti resistenza maggiore.
Tutti i tipi di titanio CP sono saldabili; e vengono ottenuti attraverso svariati tipi di lavorazioni: al laminatoio, per colata o per metallurgia delle polveri.
Il titanio commercialmente puro (non legato) costituisce circa il 35% della produzione, mentre le leghe di titanio coprono il rimanente 65%.

Le leghe di titanio sono classificate in tre grandi categorie dette alfa, beta e alfa-beta in base alla forma predominante presente nel metallo a temperatura ambiente. Come già detto, a temperatura ambiente, il titanio ha struttura chiamata alfa (meno duttile e quindi scarsamente deformabile); a circa 882°C quest’ultima si trasforma in una struttura chiamata beta (più duttile e quindi più deformabile), che è stabile fino a fusione (1650°C e 1700°C). La temperatura di questa trasformazione dipende in modo rilevante dal contenuto degli elementi che compongono la lega ed è anche influenzata da impurezze interstiziali quali ossigeno ed azoto.

Le leghe alfa.
L’alluminio stabilizza la fase alfa, innalzando la temperatura di trasformazione alfa-beta, altri elementi che stabilizzano la fase alfa possono essere carbonio, ossigeno ed azoto, che formano leghe interstiziali con il titanio.
Le leghe commerciali di titanio alfa hanno densità che varia nel range 4.37 - 4.56 g/cm3 (da confrontare con 4,5 del titanio cp)
I moduli di elasticità e la rigidità aumentano con l'incremento del contenuto di elementi in lega interstiziali e di alluminio, e con la temperatura di ricottura
Le leghe alfa sono un pò meno resistenti alla corrosione rispetto al titanio non legato, ma possiedono resistenza maggiore sia di quest’ultimo che di tutte le altre leghe di titanio; inoltre hanno ottima duttilità, resistono all’ossidazione ad alte temperature e presentano miglior saldabilità rispetto ai vari tipi di titanio CP. Sono inoltre, non trattabili termicamente, stabili fino a circa 540°C, resistenti e tenaci alle temperature criogeniche, resistenti all’intaglio e al creep (il metallo o la lega si deformano lentamente e progressivamente in modo permanente)


Le leghe beta.

Il titanio può esistere in forma beta a temperatura ambiente (fase beta metastabile); l’addizione di alcuni elementi in lega può infatti inibire la trasformazione da beta ad alfa. Le leghe beta sono ricche di beta stabilizzanti quali idrogeno (interstiziale), rame, silicio, palladio, cromo, niobio, ferro, manganese, molibdeno, tantalio e vanadio, abbassano la temperatura di trasformazione alfa-beta, rendendo la fase beta stabile alle basse temperature.
Proprio a causa del loro alto contenuto di elementi in lega, le leghe beta hanno densità maggiore (4,84 - 5,06 g/cm3) rispetto alle leghe alfa e i valori dei loro rapporti resistenza/densità non possono essere alti come quelli delle leghe alfa. Le leghe beta sono instabili e la formazione di fase alfa nella fase beta metastabile è un metodo usato per rinforzarle; sono, quindi, leghe in grado di acquisire una buona durezza, hanno buona lavorabilità a freddo e presentano alta resistenza quando sono invecchiate.
Le leghe beta possono essere formate temperatura ambiente ed a temperature un po’ più alte; inoltre, hanno miglior saldabilità rispetto alle leghe alfa e alfa-beta. Possono essere trattate a caldo ed indurite per invecchiamento nella parte finale della lavorazione, ottenendo alta resistenza.
Le leghe beta e alcune leghe alfa-beta contengono, oltre a molibdeno o vanadio, elementi a causa dei quali la fase beta, nell’intervallo di temperatura tra 550°C e 860°C, subisce una decomposizione in fase alfa e in un composto intermetallico. Questo processo è usualmente associato ad infragilimento e riduce la stabilità termica; deve, quindi, essere evitato durante la produzione e la lavorazione dato che riduce la deformabilità.

Le leghe alfa-beta.
Le leghe alfa-beta sono più che altro un compromesso tra le leghe a singola fase alfa e quelle a singola fase beta; sono trattabili termicamente, stabili fino a circa 430°C, non resistono al “creep” ad alte temperature, hanno una buona resistenza e sono più formabili delle leghe alfa. Sono comunque meno tenaci delle leghe alfa e, per la maggior parte, sono più difficili da saldare
Le leghe alfa-beta contengono sia elementi alfa stabilizzanti che beta stabilizzanti e possono essere rinforzate con trattamento termico o con lavorazioni termo-meccaniche.
Generalmente, quando si desidera un rinforzo, le leghe vengono raffreddate rapidamente a partire da alta temperatura (nell’intervallo di temperature di stabilità alfa-beta o anche sopra la temperatura di transizione beta). Questo trattamento è seguito da un trattamento a temperatura intermedia (invecchiamento) per produrre la giusta miscela di prodotti alfa e beta trasformati; in tal modo queste leghe possono essere lavorate mentre il materiale è ancora duttile e, successivamente, subiscono il trattamento termico che permette di rinforzare il materiale.
Le leghe alfa-beta hanno un’alta resistenza ma sono meno formabili delle leghe alfa.

MAGNESIO

Il magnesio presenta rispetto ad altri metalli strutturali numerosi pregi meccanici, fisici e tecnologici che riassumo di seguito in modo schematico:
- è il metallo più leggero con una densità di soli 1,739 g/cm3 (da confrontare con 2,7 g/cm3 dell’alluminio 4,5 g/cm3 del titanio, 8,96 g/cm3 del rame); la bassa densità permette di ridurre significativamente la massa delle parti in movimento e di conseguenza le sollecitazioni dinamiche degli organi meccanici;
- è amagnetico;
- ha basso punto di fusione (650 °C) e quindi richiede temperature relativamente basse per processi di colata e pressofusione;
- la resistenza meccanica e la rigidezza, a parità di peso, sono tra le migliori in confronto ad altri metalli;
- ha ottima colabilità e buona lavorabilità alle macchine utensili;
- ha alta resistenza a impatto e ammaccature;
- ha eccellenti capacità di assorbire le vibrazioni e per la sua bassa inerzia è adattissimo per parti meccaniche soggette a frequenti e bruschi cambi di direzione del moto ad alta velocità.
- non si cricca. Nel cedimento da fatica (avviene soprattutto nei metalli leggeri) un pezzo sottoposto a continue sollecitazioni dopo un certo tempo si cricca, con questo termine s'intende la formazione di fratture microscopiche che anche se non visibili rappresentano la prima fase della rottura. Il pezzo criccato non si deforma e funziona perfettamente ma la cricca cresce fino a ridurre la resistenza del pezzo con conseguente rottura di schianto.
- è biocompatibile e facilmente riciclabile;
- è facilmente saldabile con metodi tradizionali.

Nonostante questi indubbi pregi fino agli anni 80 l’uso del magnesio è rimasto praticamente confinato all’industria areospaziale e l’unico altro esempio di utilizzo ampio sembra essere la costruzione di diverse parti del gruppo motore e trasmissione del Maggiolino Volkswagen.
Questo impiego ridotto del magnesio è dovuto alla scarsa resistenza alla corrosione, alla grande reattività allo stato liquido o di polvere e all’alto costo energetico per il suo ottenimento allo stato metallico.
Nelle leghe di magnesio meno moderne la resistenza alla corrosione atmosferica risultava molto bassa e i componenti esposti all’umidità e agli agenti atmosferici necessitavano di rivestimenti superficiali quali anodizzazione o verniciatura con resine epossidiche e questo aumentava sensibilmente i costi di produzione.
Negli ultimi anni è stato appurato che l’elevato grado di corrosione è dovuto non tanto al magnesio stesso ma alla presenza nel materiale di impurezze di nichel, rame e ferro; infatti, in presenza di questi metalli si forma una specie di pila nella quale il magnesio agendo da polo positivo si ossida.
Un grande miglioramento della resistenza alla corrosione si è avuto con l’affinamento delle tecniche di purificazione che ha consentito di ottenere “leghe iperpure” nelle quali i tenori di nichel e rame sono mantenuti a livelli massimi rispettivamente di 10 e 300 ppm (ppm = parte per milione, in pratica 10 parti di nichel e 300 parti di rame ogni milione di parti di magnesio) e pochi ppm per il ferro. Con le leghe iperpure è attualmente possibile arrivare a buone proprietà di resistenza alla corrosione atmosferica ottenendo prestazioni comparabili a molte comuni leghe di alluminio.
Le leghe più diffuse attualmente in commercio contengono più del 9% di alluminio, più del 2% di zinco e piccole quantità di manganese, attualmente sono allo studio anche leghe contenenti litio. Generalmente le leghe con una bassa quantità di alluminio sono usate per la produzione di pezzi lavorati plasticamente, mentre quelle a più alta percentuale sono principalmente usate per la colata. Leghe speciali contenenti zirconio, argento, ittrio e elementi detti terre rare sono usate per componenti che devono operare a temperature superiori ai 300°C per notevoli periodi di tempo.
Per le sue caratteristiche fisiche il magnesio è classificato come ottimo metallo da fonderia e le sue leghe possono essere lavorate per colata, pressocolata, estrusione, forgiatura ecc. infatti, oltre al basso punto di fusione, il magnesio ha un’elevata fluidità (permette di accelerare il raffreddamento dei getti e di limitare i carichi termici sulle forme metalliche).

Tra le proprietà meno favorevoli del magnesio si trova prima fra tutte la grande reattività allo stato liquido o in polveri o trucioli molto fini). Il magnesio fuso deve essere protetto dal contatto con l'atmosfera per prevenire reazioni chimiche con l'ossigeno (si incendia, vedi p.e. i lampi al magnesio) e con l'azoto presenti nell'aria (forma nitruri salini). L’alta reattività rende necessarie alcune precauzioni durante le lavorazioni in fonderia o alle macchine utensili; in nessun caso comunque vi sono vere e proprie limitazioni tecnologiche sul prodotto finito, ma certamente comportano notevoli costi aggiuntivi. Se per l’asportazione di truciolo gli accorgimenti sono semplici, nel caso della fonderia si rendono necessarie tecniche particolari per evitare il contatto diretto del magnesio fuso con ossigeno e azoto atmosferici.
Benchè attualmente la maggior parte della produzione sia effettuata per pressocolata ad alta pressione condotta in ambiente inerte (in genere atmosfera di argon) stanno prendendo sempre più piede nuove tecnologie per la produzione di parti in magnesio.
Attualmente la più promettente sembra essere la thixoformatura, alcuni notevoli vantaggi di questa tecnica sono: il risparmio energetico, le tolleranze più strette, riduzione delle successive lavorazioni meccaniche e l’eliminazione del trasporto del metallo allo stato fuso. Il processo consiste nell’iniettare la lega allo stato semisolido all’interno di uno stampo metallico, la cui cavità viene riempita con flusso laminare per evitare inclusioni di gas nel getto.

Queste innovazioni hanno permesso di ottenere nuovi componenti strutturali in lega di magnesio in grado di sostituire convenientemente le tradizionali parti costruite in acciaio o in alluminio. L’impiego di leghe di magnesio si è molto esteso e, oltre che nell’industria aeronautica, è attualmente estesamente utilizzato da molte case automobilistiche e motociclistiche che le impiegano nella produzione di supporti della colonna dello sterzo, scatole del cambio, i cerchioni, teste di valvole, i rivestimenti delle testate dei cilindri, alloggiamenti di frizioni ecc.

Alcune note sulla corrosione

La corrosione è un fenomeno di natura chimico-fisica che provoca il graduale deterioramento di un materiale, soprattutto leghe o metalli, per effetto di agenti esterni e può essere di natura chimica o elettrochimica.
La corrosione chimica avviene in genere per opera di agenti atmosferici (ossigeno, umidità, anidride carbonica, aria salmastra) o di prodotti di scarico o combustione (anidride solforosa, ossidi di azoto ecc.) e consiste in generale nella trasformazione dei metalli in ossidi.
Tutti i metalli ne sono affetti, fanno eccezione i metalli definiti nobili tipo oro, platino, rodio, iridio che non subiscono ossidazione se non con agenti chimici assai corrosivi.
Lo strato di ossido che si forma sulla superficie del metallo in alcuni casi è squamoso, poroso e poco compatto (per esempio la comune ruggine che si forma sul ferro per azione di ossigeno in presenza di aria umida), in questo caso la corrosione continua la sua azione sullo strato sottostante fino a degradare completamente il metallo.
Esistono svariati metodi per prevenire questo tipo di corrosione, in alcuni casi si impiegano leghe speciali più resistenti all’attacco corrosivo (p.e. acciaio inox contenente molibdeno), in altri si passiva il metallo ricoprendolo con vernici, materiali plastici (p.e. tankerite) o ricoprendolo con altri metalli tipo cromo, nichel, zinco (la zincatura potrebbe essere una valida alternativa alla tankerizzazione dei serbatoi).
Per alcuni metalli lo strato di ossido superficiale è invece compatto e aderisce fortemente e in modo uniforme alla superficie del metallo stesso costituendo così una protezione contro un’ulteriore corrosione. Questo fenomeno viene detto passivazione e si manifesta in modo particolare su alluminio, cromo e titanio.
Questi metalli quindi si autoproteggono tramite l’ossidazione superficiale. In pratica la prima reazione è quella di ossidarsi e ricoprirsi di uno strato infinitesimale di ossido praticamente trasparente e di uno spessore che non supera qualche millesimo di millimetro. Questa pellicola, invisibile e permanente, aderisce fortemente alla superficie del metallo e si riforma velocemente dopo graffi o abrasioni permettendo ai metalli di autoproteggersi contro diverse aggressioni, tra le quali la corrosione atmosferica.
La corrosione elettrochimica avviene quando due metalli diversi sono messi a contatto con una sottile interfaccia umida tra loro (l’umidità atmosferica è sufficiente). Si forma in questo modo una specie di pila di Volta e la corrosione (ossidazione) del metallo più facilmente ossidabile risulta accelerata. Questo si verifica molto comunemente per esempio quando si usano viti o bulloni di materiale diverso da quello che devono collegare (acciaio-rame, acciaio-zinco).