Materiali metallici
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MATERIALI INDUSTRIALI I materiali comunemente usati nel campo industriale e produttivo sono numerosi . Essi possono suddividere in cinque grandi gruppi , ognuno con proprietà caratteristiche : Materiali Materie Materiali Materiali Materiali metallici plastiche ceramici compositi sinterizzati STRUTTURA DEI SOLIDI MATERIALI INDUSTRIALI MATERIALI METALLICI Legame Metallico Proprietà dei Metalli Leghe Metalliche Leghe più usate MATERIALI CERAMICI MATERIALI COMPOSITI Tipi di fibre e matrici Impiego dei compositi INDICE MATERIE PLASTICHE Metodi Fabbricazione Impiego della plastica MATERIALI SINTERIZZATI Ciclo produzione Caratteristiche della sinterizzazione Impiego dei sinterizzati I MATERIALI IN CAMPO INDUSTRIALE I materiali comunemente usati nel campo industriale e produttivo si possono suddividere in cinque grandi gruppi : • MATERIALI METALLICI • MATERIALI POLIMERICI ( Materie Plastiche ) • MATERIALI CERAMICI • MATERIALI COMPOSITI • MATERIALI SINTERIZZZATI MATERIALI METALLICI I metalli sono solidi cristallini, raramente utilizzati puri . I metalli vengono correntemente utilizzati sotto forma di LEGHE, ovvero di combinazioni di più elementi, metalli e non-metalli (acciaio, ottone, bronzo, leghe di alluminio…) MATERIALI POLIMERICI Sono materiali non-metallici costituiti da macromolecole, composte da molte unità uguali ( monomeri ) che si ripetono in sequenza. Vi sono polimeri sia naturali (GOMMA, CELLULOSA) sia artificiali ( materie plastiche ). Alcuni polimeri a sviluppo unidirezionale ( polimeri lineari) danno origine sia ad alcune fibre naturali (SETA, LANA, COTONE) sia ad alcune materie plastiche usate per la produzione di fibre sintetiche (POLIVINILICHE, POLIESTERI, POLIAMMIDICHE…) MATERIALI COMPOSITI Sono materiali costituiti dalla combinazione di più sostanze di natura e caratteristiche differenti ma compatibili tra loro. La combinazione è mirata a migliorare le caratteristiche prestazionali del singoli materiali soprattutto in termini di resistenza meccanica e di resistenza al calore. MATERIALI CERAMICI Sono materiali ottenuti attraverso la trasformazione di materie prime INORGANICHE tra le quali sono presenti elementi metallici e non-metallici. Allo stato solido sono disposti secondo una struttura cristallina. Si caratterizzano per l’elevata stabilità chimica, durezza, resistenza a compressione e al calore, ma anche per una scarsa plasticità ed una notevole fragilità. MATERIALI SINTERIZZATI I materiali sinterizzati sono ottenuti dall’agglomerazione ad alta temperatura di polveri metalliche e non metalliche , preventivamente compattate in stampi per mezzo di alte pressioni . STRUTTURA DEI SOLIDI I materiali più impiegati nelle condizioni ambientali normali sono allo stato solido . In funzione della disposizione delle molecole o degli atomi che compongono il materiale , è possibile individuare solidi a struttura CRISTALLINA e AMORFA Solidi a struttura cristallina Rappresenta una disposizione spaziale caratterizzata dal fatto che gli atomi o le molecole del solido sono disposti in maniera ordinata e regolare secondo una struttura reticolare tridimensionale A struttura cristallina sono quasi tutti i solidi, quindi i materiali da costruzione , in particolare i metalli e le leghe Solidi a struttura amorfa Rappresenta una disposizione spaziale in cui non è riconoscibile un ordine geometrico ; atomi o molecole sono disposte a caso Di questa famiglia fanno parte sostanze liquide e gassose ed alcuni solidi (polimeri: gomme naturali, cellulosa, plastiche e gomme sintetiche…) . Tipico esempio di materiale amorfo è il vetro TRUCIOLI DI ALLUMINIO Struttura Reticolare di Alluminio Cristallo di Quarzo e Sua Struttura Reticolare Vetro e sua struttura amorfa I MATERIALI METALLICI In un metallo puro allo stato solido gli atomi sono disposti in tutta la massa secondo una geometria ordinata e ripetitiva in tutte le direzioni ; questa struttura si chiama reticolo cristallino ; per ogni metallo si può individuare nella struttura una cella elementare Un metallo solido è un cristallo, qualunque sia la sua forma esterna, ed il suo reticolo cristallino risulta dalla ripetizione nelle tre dimensioni dello spazio di una cella elementare ,che costituisce la più piccola porzione del reticolo stesso e che ne possiede tutte le caratteristiche geometriche . Un aggregato formato da celle , sempre in numero notevole , costituisce un grano cristallino . I grani cristallini si formano durante la solidificazione del metallo liquido ed ognuno è composto da un grandissimo numero di celle elementari . I metalli più comuni , allo stato solido, presenta una delle seguenti strutture cristalline : a ) cubica a facce centrate ; C .F.C. b) esagonale compatta ; E. C. P. c) cella cubica a corpo centrato ; C.C.C. Proprietà dei metalli Tutti i metalli hanno delle proprietà comuni che li distinguono PROPRIETA COMUNI METALLI DI PIÙ COMUNE IMPIEGO A temperatura ambiente sono allo stato solido Alti valori di resistenza meccanica Duttilità e malleabilità Durezza Tenacia e buona resistenza a fatica Buona conducibilità elettrica e termica Subiscono l’aggressione degli agenti ambientali e tendono a ritrovare il loro stato minerale : Il Legame Metallico In un materiale metallico allo stato solido può essere rappresentato come un insieme di ioni metallici positivi, distribuiti secondo la disposizione ordinata data dal reticolo cristallino, circondati dalla cosiddetta “nuvola elettronica” ,costituita dagli elettroni degli strati atomici esterni che vengono condivisi dall’intera struttura. La mutua attrazione tra gli ioni positivi e la nuvola elettronica fornisce il cosiddetto legame metallico. Gli elettroni presenti nella nuvola hanno una certa libertà di movimento e quindi,per effetto della applicazione di una opportuna tensione,possono fluire piuttosto facilmente, determinando così la buona conducibilità elettrica del metallo. Il legame metallico, inoltre, è di tipo non direzionale e ciò rende conto delle proprietà meccaniche dei metalli che sono duttili, malleabili e possono essere deformati per ottenere fili o lamine sottilissime. L'energia del legame metallico varia moltissimo e di conseguenza anche i punti di fusione dei vari metalli sono molto diversi. LEGAME METALLICO Leghe Metalliche Molto spesso il metallo puro non presenta le caratteristiche volute . Per ottimizzare le prestazioni in esercizio di un metallo si fabbricano le leghe,attraverso la sua combinazione del metallo con altri elementi. Queste combinazioni sono mirate principalmente al miglioramento delle prestazioni meccaniche, della lavorabilità, della resistenza alla corrosione ed alle resistenza ad alte temperature . Si definisce lega una miscela solida, composta da 2 o più elementi, di cui almeno uno, il principale, è metallico. Da notare che in un metallo puro, composto da un solo elemento, la struttura molecolare è formata da un solo tipo di reticolo cristallino. Invece , in una lega metallica formata da due o da più elementi anche non metallici (carbonio e azoto) la struttura della lega può essere caratterizzata da un solo reticolo cristallino o da più reticoli cristallini diversi. Per formare una lega, un metallo deve avere la capacità di “sciogliere” un altro elemento e cioè un metallo deve accogliere nella sua struttura cristallina gli atomi di un altro elemento , formando quella che si chiama una soluzione solida Vi sono due tipi fondamentali di soluzioni solide : Soluzione di sostituzione e Soluzione interstiziali Soluzione di sostituzione si ha quando gli atomi hanno dimensioni simili Soluzione interstiziale: si ha quando gli elementi hanno atomi di dimensioni molto diverse Esempio il Bronzo è una soluzione di sostituzione di Stagno in Rame l’ Acciaio è una soluzione interstiziale di Carbonio nel Ferro Leghe metalliche più usate Le leghe che trovano la più vasta applicazione in campo industriale sono : Leghe ferro carbonio Sono dette anche leghe ferrose e sono : Acciaio e ghise .L’acciaio , fabbricato in diversi tipi , è il materiale industriale più utilizzato Leghe di alluminio L’alluminio si può combinare con rame, titanio, zinco, manganese magnesio,silicio,nichel per formare le cosiddette leghe leggere . Una buona lega di alluminio pesa circa tre volte in meno di un acciaio comune ed ha la stessa resistenza Leghe di rame Sono gli Ottoni ( lega Cu , Zn ) ; Bronzi ( lega Cu , Sn ) Leghe di titanio Il titanio si può combinare con di differenti metalli al fine di ottenere materiali dalla notevole resistenza meccanica con pesi molto bassi oltre ad una ottima resistenza alla corrosione . Purtroppo il titanio è costoso a causa del suo elevato costo di preparazione Leghe di magnesio Il magnesio può formare leghe con alluminio, zinco e manganese; queste leghe sono in genere fragili ma resistenti alla corrosione ed alle alte temperature ( con il magnesio si possono ottenere leghe ultraleggere ) MATERIALI CERAMICI I materiali ceramici sono in genere aggregati policristallini ,anche se in alcuni casi possono presentarsi amorfi o come monocristalli. • Sono materiali inorganici costituiti da elementi metallici e non metallici legati chimicamente in rapporti costanti . • Sono costituiti da una sequenza ordinata nello spazio di elementi metallici e non metallici (carburi, nitruri, ossidi metallici ) • Fanno parte di questa classe i ceramici tradizionali (argille, porcellane), i ceramici avanzati (allumina, zirconia, nitruro di silicio) , i vetri ed i cementi Proprietà tipiche • Hanno elevata resistenza a compressione , ma bassa resistenza a trazione • Sono molto duri, rigidi ed indeformabili • Impossibile sottoporli a lavorazione plastica • Presentano un elevato isolamento elettrico e termico • Resistenza alla corrosione • Resistenza al calore I MATERIALI COMPOSITI I materiali compositi sono materiali artificiali nei quali due o più componenti sono combinati per ottenere una sostanza con particolari proprietà . L’esempio più comune di materiale composito è la vetroresina , formata da stati sovrapposti di fibra di vetro immersi in una resina polimerica ; in vetroresina si costruiscono gli scafi per imbarcazioni di varie misure I componenti , a differenza di quanto avviene nei composti chimici o nelle leghe , sono fisicamente separati e nettamente distinguibili con un esame microscopico a basso ingrandimento . In un materiale composito un componente svolge la funzione di matrice ( metallica, ceramica,polimerica ) , nella quale sono dispersi sottili filamenti ( Whiskers) di materiale diverso , che fungono da rinforzo . Oltre ai whiskers , per rinforzo si possono usare anche fili , fibre lunghe e corte , polveri metalliche ( carburi) L’esempio più comune di materiale composito è la vetroresina , formata da stati sovrapposti di fibra di vetro immersi in una resina polimerica ; in vetroresina si costruiscono gli scafi per imbarcazioni . Esistono anche i compositi metallici formati da una matrice a base di alluminio, zinco rame , magnesio, titanio e per rinforzo si possono usare : - fili metallici ( in acciaio , tungsteno , carburi silicio); - fibre e whiskers ( C , Vetro, Al2O3 , SiC , SiO2 ) ; - polveri ( SiC , SiO2 , Al2O3 ) Fibre e matrici nei compositi Le proprietà meccaniche dei materiali compositi dipendono dal tipo di fibre e dalla loro disposizione all’interno della matrice. La disposizione delle fibre può essere di tre tipi . Tipi di Fibre a) - discontinua disordinata b) - discontinua parallela c ) - continua parallela Nei compositi con fibre disposte in modo discontinuo e disordinato (figura 1a), si avranno le stesse caratteristiche meccaniche in tutte le direzioni, mentre nei compositi con fibre discontinue o continue ma parallele (figure 1b/c), si avranno caratteristiche migliori nella direzione delle fibre Le fibre di rinforzo più utilizzate, attualmente, sono: Fibre di vetro: sono costituite da filamenti, aventi diametro di 10 micron circa,ottenuti per trafilatura ; Identificabili dal colore bianco. Fibre di carbonio: sono filamenti ottenuti da fibre organiche. Stanno sostituendo le fibre di vetro per il minor peso e la maggiore rigidità. Il colore è nero brillante. Fibre organiche: sono le fibre di rinforzo più leggere; la loro composizione chimica ed il processo di fabbricazione sono ancora brevettati. Il è color giallo vivo. Fibre minerali: sono utilizzate nel campo delle tubazioni, coperture e recipienti; l’elevato costo ne limita l’impiego. Le resine più utilizzate sono le seguenti: resine epossidiche: sono quelle che possiedono le migliori proprietà meccaniche; resine poliestere: sono le più comuni ed economiche; resine fenoliche: hanno maggior resistenza alla corrosione e all’infiammabilità. Impiego dei compositi La moderna tecnologia consente di realizzare materiali compositi con un ampia gamma di caratteristiche ; in pratica è possibile costruire un materiale “su misura“ per una data applicazione . Così ad esempio si possono costruire materiali che abbiano particolare resistenza a trazione , materiali con elevata resistenza all’usura ed al calore , materiali ad elevata resistenza a caldo per la costruzione di utensili ( il metallo duro composto da una matrice metallica di Cobalto in cui sono disciolti i carburi di tungsteno) ecc. Molteplici sono le applicazioni dei materiali compositi ed il loro sviluppo è sicuramente destinato ad aumentare Nell’ industria automobilistica i compositi in resina rinforzati con fibra di vetro o di carbonio si usano per costruire parti di carrozzeria . Nell’industria aeronautica si utilizzano i compositi per parti di ali e fusoliera , per i carrelli di atterraggio . Nell’industria di articoli sportivi molte sono le applicazioni quali racchette da tennis, sci , aste per salto, alberi maestri per barche a vela,canne da pesca , telaio bici , scafi ecc. Nell’industria bellica si costruiscono parti per armi leggere , blindature , giubbotti antiproiettile . Nell’industria meccanica si realizzano pezzi meccanici vari , incastellature , ruote dentate ,ecc. Auto con Pannelli in Fibre carbonio Aereo Militare In Fibre carbonio Scavo in vetroresina Oggetti sportivi n fibre Carbonio Papa Giovanni in vetroresina LE MATERIE PLASTICHE Le materie plastiche ( dette anche polimeri plastici ) sono dei materiali sintetici, cioè non esistono in natura ma vengono preparate in laboratorio partendo da materiali naturali Le materie prime più usate sono : il petrolio , il metano , l’idrogeno e l’ossigeno . Le materie plastiche sono quei materiali che si lasciano facilmente deformare e , una volta deformati, non perdono la nuova forma. Ed infatti la parola “plastica” deriva dal greco “plastikos”,che vuol dire malleabile . Il segreto della plasticità di queste materie è la singolare struttura delle molecole, che prendono il nome di “ polimeri ”, che sono lunghissime molecole organiche . Esse infatti hanno una struttura a “spaghetti”, cioè una struttura lineare . In questo modo quando l’oggetto viene deformato le sue molecole strisciano le une sulle altre, in modo tale che esse adattino l’oggetto alla nuova forma. I polimeri sono costituiti a loro volta da catene molecolari più piccole, i monomeri Classificazione materie plastiche Le materie plastiche si distinguono in due classi principali: Termoindurenti Termoplastiche Una resina termoindurente allo stato solido a temperatura ambiente se riscaldata diventa progressivamente rigida . Questa proprietà irreversibile , cioè la sostanza non diventa plastica quando viene raffreddata. Le resine termoindurenti sono infusibili ed insolubili Una resina termoplastica se se riscaldata partendo dallo stato solido a temperatura ambiente rammollisce e passa allo stato liquido ; ritorna poi allo stato solido primitivo con il raffreddamento . Questa operazione si può ripetere indefinitamente .Le resine termoplastiche sono fusibili e solubili Proprietà delle materie plastiche Bassa resistenza meccanica ; Flessibilità e deformabilità ; Isolamento termico ed elettrico ; Basso peso specifico (0.9 – 2 gr /cm3) ; Ottima resistenza agli urti Fabbricazione Oggetti in Plastica Esistono vari metodi per produrre oggetti in plastica come illustrato nella figura seguente Per realizzare lamiere o altri oggetti sottili in plastica si usa il processo di calandratura , che consiste nel sottoporre l’impasto alla pressione di rulli e di presse . Un altro processo di lavorazione è il soffiaggio , che consiste nell’immettere il materiale fuso in uno stampo e gonfiarlo, come un palloncino. Il processo di centrifugazione consiste nell’immettere in uno stampo “rotante” la plastica fusa. Il processo più diffuso è l’estrusione, nel quale il materiale plastico cola in una matrice,spinto da un pistone e assume la forma della matrice Impiego Plastica I tipi di materie plastiche prodotti sono diversi e numerosissimi sono gli oggetti prodotti . Bottiglie di acqua minerale, bibite, olio, succhi, latte, ecc.; Flaconi/dispensatori per sciroppi, creme, salse, yogurt, per detersivi, saponi, prodotti per la casa ecc; Confezioni rigide/flessibili per alimenti in genere (es: affettati, formaggi, pasta fresca, frutta, verdura); Buste e sacchetti per alimenti in genere (es: pasta, riso, patatine, salatini, caramelle, surgelati); Vaschette e contenitori per alimenti ( carne e pesce , per gelati, creme di formaggio, dessert ); Reti Film e Pellicole per frutta e verdura ; imballaggi ;, Barattoli per alimenti in polvere ; Cassette per prodotti ortofrutticoli e alimentari in genere; Vasi per vivaisti ; Blister e contenitori rigidi e formati a sagoma (es: gusci per giocattoli, pile, articoli da cancelleria, gadget vari ) ; Scatole e buste per il confezionamento di capi di abbigliamento (camicie, biancheria intima, calze,cravatte); Gusci, barre, chips da imballaggio in polistirolo espanso; Reggette per legatura pacchi ; Sacchi, sacchetti, buste (es: shoppers, sacchi per detersivi, per prodotti per giardinaggio, per animali); Vari contenitori Bottiglie in Pet Ciotolame Recupero bottiglie I MATERIALI SINTERIZZATI I materiali sinterizzati sono i materiali ottenuti con la tecnica di produzione chiamata metallurgia delle polveri o sinterizzazione o metalloceramica . Tale tecnica è nota fin dall’antichità ma solo da pochi decenni ha avuto una larga diffusione in vari settori dell’industria . La metallurgia delle polveri è un procedimento fisico-meccanico in cui si parte da materia prima sotto forma di miscele di polveri metalliche o non metalliche e si ottiene un pezzo , con forma e geometria definita . Le polveri possono essere prodotte con vari procedimenti : Meccanici ( macinazione , frantumazione , pestellatura ) Fisici ( atomizzazione , decomposizione ) ; Chimici ( riduzione , ossidazione-carburazione ) SCHEMA CICLO LAVORAZIONE Le fasi principali per la realizzazione di un pezzo sono Preparazioni delle polveri , metalliche o non metalliche Dosatura e miscelazione delle polveri ; Caricamento delle polveri nello stampo Pressatura delle polveri ad alta pressione ; Estrazione del pezzo dallo stampo Sinterizzazione del pezzo in forno Ciclo di produzione di un pezzo sinterizzato Più dettagliatamente le fasi necessarie a produrre un pezzo sinterizzato sono . 1- Costruzione dello stampo : Per prima cosa , in base al disegno di progetto del pezzo si costruisce con accurata lavorazione uno stampo in acciaio speciale , composto da matrice e punzone . Lo stampo viene montato su una pressa , cioè una macchina capace di spingere il punzone nella matrice con una forza elevata ( decine di tonnellate ) 2- Preparazione della miscela delle polveri La polvere base viene miscelata con cere lubrificanti ed eventuale altre aggiunte metalliche ed il tutto viene accuratamente miscelata , fino ad ottenere una polvere omogenea composto da granuli piccolissimi . 3- Caricamento dello stampo La polvere dosata va riempire la matrice dello stampo . 4- Pressatura e Compattazione Il punzone viene spinto entro la matrice esercitando sulla polvere una pressione alta pari a 50-80 atmosfere. Il pezzo compatto viene estratto dallo stampo ; questo pezzo non ha ancora la densità e la resistenza voluta e si può sgretolate facilmente se soggetto a piccole forze . 5- Sinterizzazione Il pezzo pressato e compattato viene immesso in un forno riscaldato in atmosfera controllata : la temperatura nel forno è elevata ma non raggiunge mai la temperatura di fusione delle polveri. Durante la permanenza del forno per un tempo prestabilito avviene la sinterizzazione , cioè un complesso di fenomeni chimico-fisico che determinano la saldatura dei granuli di polvere. Con la sinterizzazione si ottiene un pezzo finito di dimensioni precise e di elevata resistenza . Caratteristiche della sinterizzazione Il metodo della metallurgia delle polveri presenta i seguenti vantaggi : elevata produttività ( dalla pressa si possono ottenere ad esempio 20 pezzi al minuto ) ; produzione di pezzi finiti con tolleranze ristrette , anche con profili complessi ; utilizzazione di miscele di polveri di materiali che non possono essere lavorati per fusione ; utilizzazione di miscele di polveri diverse ; metalliche e non metalliche ; produzione di materiali con particolari caratteristiche ( porosità definita , proprietà autolubrificanti ecc ) ; produzione di materiali durissimi come il metallo duro Metallo Duro (polvere WC in matrice di Cobalto ) Granito Sinterizzato Il metodo della metallurgia delle polveri presenta i seguenti svantaggi e limiti : costo elevato degli stampi e degli impianti ; necessità di produzione in grande serie per ammortizzare i costi ; i pezzi da produrre devono avere piccole dimensioni , Filtro Impiego dei sinterizzati Oggi sono numerose le applicazioni dei pezzi sinterizzati. I settori di maggior impiego sono nel campo automobilistico, nel campo degli elettrodomestici e nella meccanica in genere . Tra i materiali più usati si trovano : • Bronzo ( con stagno al 15% ) • Ottoni ( con zinco al 20-30 % ) • Alluminio e leghe leggere • Cupropiombo ( rame ,piombo, stagno , antimonio ) • Materiali duri per utensili ( miscele di metalli e carburi metallici) • Materiali ceramici per utensili ( miscele di ossido di alluminio con carburi di vanadio, titanio e molibdeno ) • Materiali per mole diamantate ( miscele di polvere di diamante dispersa in un matrice metallica a base ferro , bronzo od altri metalli ) • Materiali refrattari per resistenze e filamenti di lampade ( polveri di tungsteno , di vanadio ) Mola per rettifica Patricolari vari Particolari vari Creatore Frese in metallo duro
