APPUNTI DI TECNOLOGIA E DISEGNO TECNICO CLASSE I – Prof. Sellaro P.
METALLI FERROSI - I metalli ferrosi sono i metalli e le leghe metalliche che contengono ferro. Le leghe ferrose più importanti sono l’acciaio e la ghisa. ACCIAIO: lega metallica costituita da ferro e carbonio, con contenuto di carbonio inferiore al 2,11%
GHISA : lega metallica costituita da ferro e carbonio, con contenuto di carbonio superiore al 2,11% circa e inferiore al 6,67%
Il diverso contenuto di carbonio fa assumere all’acciaio e alla ghisa proprietà meccaniche e tecnologiche molto diverse.
La ghisa si ottiene dall’altoforno e può essere successivamente affinata per ottenere acciaio oppure utilizzata in fonderia per ottenere i pezzi in ghisa (ruote ferroviarie, parti di macchine utensili, automobili, ponti ecc). La ghisa è molto dura e fragile; ha resilienza (cioè la capacità di resistere agli urti) quasi nulla; ha allungamento % a rottura praticamente nullo, quindi non può essere lavorata plasticamente (cioè per deformazione plastica cambiando la forma del pezzo grezzo tramite lavorazioni che non asportano truciolo dal pezzo come per esempio la laminazione per produrre lamiere, barre ecc. o la trafilatura per produrre fili o l’estrusione per ottenere profili come quelli degli infissi in alluminio), né a caldo né a freddo, ma può essere lavorata solo per fusione. Resistenza meccanica: Rm = 100 - 400 N/mm; Resistenza a compressione: 400 – 1200 N/mm; Durezza Brinell: 150 – 400 HB. ACCIAIO - L’acciaio viene ricavato dall’affinazione della ghisa, che è un’operazione che consiste nel diminuire il tenore di carbonio della ghisa e ridurre gli elementi dannosi (come zolfo, fosforo, ossigeno, ecc.) che possono derivare dai materiali di carica del forno o dai prodotti delle fasi precedenti. Le proprietà dell’acciaio dipendono da: - percentuale del carbonio - presenza di altri elementi in lega. In generale gli acciai presentano: Resistenza meccanica buona: Rm = 400 - 1000 N/mm; Allungamento % buono A% = 5 – 25 %;
Resilienza 40 – 100; Buona saldabilità; Buona plasticità (lasciarsi deformare in modo permanente) a caldo (per gli acciai dolci anche a freddo). Scarsa fusibilità (capacità di essere colati negli stampi). In sintesi, all’aumentare della quantità di carbonio aumentano: - resistenza meccanica – durezza – temprabilità - colabilità/fusibilità - resistenza all’usura; diminuiscono: allungamento A% -- lavorabilità e plasticità a freddo - saldabilità.
A seconda della quantità di carbonio, gli acciai si dividono nel seguente modo:
• acciai dolci C < 0,2% • acciai semiduri C = 0,2 – 0,77% • acciai duri C > 0,77%
Gli acciai dolci presentano resistenza a trazione molto più bassa di quella degli acciai duri però sono più malleabili (capacità di essere ridotti di sezione attraverso il passaggio in rulli che ruotano in senso uno opposto all’altro, con la lavorazione di laminazione), più duttili (cioè la capacità di essere ridotti in fili senza rompersi o screpolarsi tramite la lavorazione di trafilatura) e più resistenti agli urti. Sono facilmente saldabili e lavorabili alle macchine utensili ma sono meno resistenti all’usura e alla corrosione degli acciai duri. Durante la fusione del metallo per realizzare l’acciaio, si possono aggiungere elementi (metallici o non metallici) per migliorare la caratteristiche dell’acciaio. Gli acciai in cui sono aggiunti questi elementi in lega si chiamano acciai legati ; gli acciai che non contengono elementi in lega sono chiamati acciai al carbonio o acciai non legati. A seconda della quantità degli elementi in lega presenti nell’acciaio, si definiscono:
• acciai non legati: acciai che non contengono elementi in lega e sono anche chiamati acciai al carbonio
• acciai debolmente legati: ciascuno degli elementi in lega è presente in quantità minore del 5%
• acciai fortemente legati: almeno uno degli elementi in lega è presente in quantità maggiore del 5%
INFLUENZA DEGLI ELEMENTI IN LEGA NEGLI ACCIAI - Cromo (Cr): si trova spesso negli acciai. Migliora la durezza, la resistenza meccanica e la resistenza all’usura. In quantità maggiori del 12% rende l’acciaio inossidabile. Nichel (Ni) - Si trova spesso insieme al cromo. Migliora tutte le proprietà meccaniche dell’acciaio, la resistenza alla corrosione mentre diminuisce la dilatazione termica e la saldabilità.Si trova anche negli acciai inox in quantità che dipende dal tenore di cromo. Molibdeno (Mo): Migliora la temprabilità e attenua il fenomeno della “fragilità di rinvenimento”.Insieme al cromo e al nichel realizza gli acciai con le migliori proprietà meccaniche (Rm fino a 1200 N/mm2). Silicio (Si): E’ contenuto naturalmente nell’acciaio in piccole quantità (circa 0,3%). Se invece è aggiunto intenzionalmente fino al 2% circa, aumenta la resistenza meccanica e all’ossidazione e soprattutto aumenta notevolmente l’elasticità, infatti gli acciai al silicio vengono usati per realizzare molle (acciai per molle).
Manganese (Mn):Aumenta la durezza, la resistenza meccanica e la resistenza a usura. Migliora notevolmente la temprabilità ma causa il dì fenomeno della “fragilità di rinvenimento”. Tungsteno (W) – Cobalto (Co) – Vanadio (V) – Titanio (Ti):Sono tutti elementi molto duri che, aggiunti nell’acciaio, gli conferiscono elevatissima durezza che si mantiene anche alle alte temperature. Si trovano negli acciai per utensili. Piombo (Pb) – Zolfo (S):Sono elementi nocivi per l’acciaio perché gli conferiscono elevata fragilità. Si possono, però, trovare in piccole quantità perché la fragilità indotta dalla loro presenza facilita il distacco del truciolo e favorisce la lavorabilità alle macchine utensili. Tali acciai sono detti automatici. Zolfo (S) – Fosforo (P) – Idrogeno (H) – Azoto (N) – Ossigeno (O):Sono tutti elementi nocivi perché si legano chimicamente con il ferro o con il carbonio formando composti che rendono molto fragile l’acciaio. La loro presenza deve, quindi, essere ridotta al minimo.
PRODUZIONE DELLA GHISA GREGGIA
Lega Metallica = sostanza metallica ottenuta mescolando tre elementi:
- elemento fondamentale → è il metallo di base predominante in percentuale
- elemento di lega o di alligazione → qualunque elemento aggiunto intenzionalmente all’elemento fondamentale per conferire particolari proprietà alla lega
- impurezza → qualunque elemento presente non intenzionalmente nella lega
Leghe del ferro: - elemento fondamentale = ferro (Fe); - elemento di lega = carbonio (C); - elementi di alligazione = vari metalli (Ni, Cr, Mo, Mn, Si, Pb, V, W); - impurità = soprattutto zolfo (S) e fosforo (P)
Leghe di ferro = ghisa → lega ferro-carbonio con %C = 2,06 % ÷ 6,67 % acciaio → lega ferro-carbonio con %C = 0,08 % ÷ 2,06 %
Minerali di ferro: - ematite Fe2O ˜ 70 % in peso di Fe; - magnetite Fe3O4 ˜ 70 % in peso di Fe; - limonite Fe2O3 + H2O ˜ 60 % in peso di Fe; - siderite FeCO2 ˜ 50 % in peso di Fe.
Preparazione dei minerali di Ferro:
1. frantumazione e molazzatura → riduzione delle dimensioni medie 2. vagliatura → separazione delle pezzature
3. concentrazione o arricchimento → eliminazione delle parti estranee dei minerali (metodi idraulici, meccanici, magnetici per la magnetite)
4. agglomerazione → mescolare minerale + carbon coke + fondente; si portano quasi a fusione (1000-1300 °C) per ottenere bricchetti porosi e resistenti ad alta pressione (per facilitare l’aerazione)
ALTOFORNO Il processo con il quale si produce la ghisa greggia avviene nell’altoforno Elementi in ingresso nell’altoforno:
- minerale di ferro (30 % naturale frantumato + 70 % agglomerato)
- carbon coke (carbone naturale distillato) per: - ridurre il ferro direttamente o indirettamente con i gas prodotti - fornire calore con la combustione
- fondente (calcare) per: - produrre scoria - eliminare le impurezze contenute nel minerale
(i tre elementi sono immessi dalla bocca dell’altoforno a strati alternati)
Nella zona chiamata sacca viene immessa aria calda a 1400 °C e velocità > 100 m/s per: - poter realizzare la combustione (comburente) - partecipare alle reazioni chimiche.
Elementi in uscita dall’altoforno:
1.gas d’altoforno, aspirato dalla bocca
2.ghisa greggia, spillata sul fondo del crogiolo dal foro più basso poiché la ghisa è più pesante delle scorie. Questa ghisa se è destinata alla fonderia viene solidificata in pani; se è destinata a produrre acciaio viene mantenuta alla stato fuso nei mescolatori, recipienti in materiale refrattario riscaldati con energia elettrica o con gas d’altoforno.
3.scoria o loppa, spillata nella parte superiore del crogiolo in quanto galleggia sopra la ghisa greggia
Prodotti dell’altoforno:
• ghisa greggia, trasformata successivamente: - per seconda fusione in ghisa industriale - per affinazione nei convertitori o nei forni elettrici in acciaio
• scoria o loppa, dalla quale si ottengono materiali per edilizia, materiali coibenti, insonorizzanti
• gas d’altoforno, che, dopo depolverazione meccanica ed elettrostatica, viene utilizzato in parte nella centrale elettrica e in parte per il riscaldamento dell’aria in ingresso nell’altoforno (negli scambiatori o torri Cowper).
Accensione e spegnimento dell’altoforno: lo spegnimento avviene ogni 7 anni; occorre rifare il rivestimento di refrattario usurato dalla carica che scende. Per riprendere l’esercizio occorrono molti mesi, considerando il tempo di raffreddamento, di rifacimento del rivestimento e per la successiva accensione, operazione lunga e complicata.
Gas d’altoforno: Il gas d’altoforno è un combustibile povero, ma è utilissimo per la gestione energetica dello stabilimento. Dal gas d’altoforno deve essere eliminata la polvere di coke e di minerale di ferro mediante vari filtraggi. Applicazione del gas d’altoforno: a) alimentazione della centrale termoelettrica b) riscaldamento dell’aria in ingresso
nell’altoforno mediante accumulatori-scambiatori di calore (Cowper)
CURVE POLICENTRICHE: Si chiamano curve policentriche le curve piane ottenute raccordando tra loro archi di circonferenze aventi centri diversi (policentrico significa con più centri); esistono due tipi di curve policentriche: curve policentriche chiuse (ovolo, ovale) e curve aperte (spirali). Sono curve tutte eseguibili con il compasso attraverso opportuni raccordi, aventi centri diversi e quindi raggi diversi. L'ovolo (come l’uovo) è una curva policentrica chiusa è una curva costituita da archi di circonferenza aventi centri diversi. In particolare l'ovulo è costituito da una semicirconferenza e da altri tre archi raccordati tra loro. Abbiamo quindi un asse minore che è il diametro della semicirconferenza e un asse maggiore perpendicolare ad esso. L’ovale (come il colosseo) è una curva chiusa formata da quattro archi di circonferenza a due a due uguali. Ha due assi di simmetria: asse maggiore e asse
minore, che si intersecano nel loro punto medi. Una spirale è la traiettoria di un punto che si muove nel piano ruotando intorno ad un punto fisso O, mentre il raggio della rotazione aumenta ad ogni istante.
CURVE CONICHE: Cerchio, ellisse, parabola e iperbole si dicono sezioni coniche perchè sono il risultato dell'intersezione tra un piano (inclinato in diversi modi) e un cono.Il cerchio è il luogo geometrico dei punti equidistanti da un punto C, detto centro. Si ottiene tagliando un cono con un piano perpendicolare al suo asse. La distanza fra ognuno dei suoi punti e il centro è il raggio del cerchio. L’ellissesi ottiene sezionando una superficie conica con un piano avente, rispetto all’asse, un’inclinazione maggiore della semiapertura del cono. E’
una figura che assomiglia ad un cerchio allungato in una direzione. L’ellisse può essere definito come il luogo dei punti, in un piano, la cui somma delle distanze da due punti fissi
dati (detti fuochi) è costante, cioè sempre uguale. Secondo le leggi di Keplero, l'orbita di un pianeta è un'ellisse, con il Sole in uno dei due fuochi. Se i due fuochi coincidono, si ha una circonferenza, che può considerarsi quindi un caso particolare di ellisse (ad eccentricità nulla). L'eccentricità di un'ellisse è compresa tra zero e uno. Il segmento che passa dai due fuochi è detto asse maggiore ed è anche il più lungo segmento contenuto nell'ellisse. Il segmento passante per il centro (a metà tra i fuochi), ortogonale all'asse maggiore, è l' asse minore. Il semiasse maggiore è una delle metà dell'asse maggiore; parte dal centro, passa attraverso un fuoco e va fino all'ellisse.
Analogamente il semiasse minore è metà dell'asse minore. I due assi sono l'equivalente per l'ellisse del diametro, mentre i due semiassi sono l'equivalente del raggio. La dimensione e la forma di un'ellisse sono determinate da due costanti, dette convenzionalmente a e b. La costante a è la lunghezza del semiasse maggiore; la costante b è la lunghezza del semiasse minore. La parabola si ottiene sezionando una superficie conica con un piano avente, rispetto all’asse, un’inclinazione uguale alla semiapertura del cono. Quindi è una figura geometrica ottenuta come intersezione di un cono circolare e un piano parallelo ad una retta generatrice del cono. E’ una particolare figura contenuta nel piano. Può essere definita come il luogo dei punti equidistanti da una retta (detta direttrice) e da un punto (detto fuoco) non appartenente alla retta. La parabola è un concetto importante in matematica ed ha numerose applicazioni in fisica ed in ingegneria. Una retta generatrice del cono è una retta contenuta nella superficie del cono. Iperbole: si ottiene sezionando una superficie conica con un piano avente, rispetto all’asse, un’inclinazione minore della semiapertura del cono. Corrisponde al luogo geometrico di tutti e soli i punti del piano per i quali è costante la differenza delle distanze da due punti fissi detti fuochi.
