Metalli utili

Ferro

In virtù della sua duttilità, era utilizzato sia a scopo decorativo che nella produzione di armi e utensili già in età preistorica; il più antico reperto rinvenuto, un gruppo di grani di ferro ossidato trovati in Egitto, risale infatti al 4000 a.C. Durante l'età del Ferro, nel I millennio a.C., le tecniche di lavorazione divennero sempre più raffinate e questo metallo sostituì quasi completamente il bronzo, segnando l'inizio della moderna metallurgia.

Proprietà

Il ferro puro ha durezza compresa tra 4 e 5, è di colore argenteo, duttile e malleabile. A temperatura ambiente e, in generale, a temperature inferiori a 768 °C, si magnetizza in presenza di campi magnetici anche poco intensi, manifestando caratteristiche ferromagnetiche. Fonde a 1536 °C, bolle a 3000 °C, ha e ha il peso specifico di 7,86.

Il metallo esiste in tre forme,diverse per la disposizione degli atomi nel reticolo cristallino: ferro a (stabile a temperature inferiori a 906 °C), ferro g (stabile tra 906 °C e 1401 °C) e ferro δ (stabile a temperature superiori a 1401 °C). Le differenti proprietà fisiche e chimiche delle tre forme giocano un importante ruolo nella metallurgia di questo materiale.

Il ferro è un elemento reattivo: reagisce con gli alogeni (fluoro, cloro, bromo, iodio e astato), con lo zolfo, il fosforo, il carbonio e il silicio; brucia in atmosfera di ossigeno formando il tetrossido di triferro. Se esposto all'aria umida, il ferro si corrode e si ricopre di un ossido ferrico idrato rosso-bruno, chiamato ruggine.

A contatto con molti acidi diluiti il ferro passa in soluzione, liberando idrogeno. Non si scioglie, invece, con l'acido nitrico concentrato; quest’ultimo ha la proprietà di indurre sulla superficie del metallo la formazione di uno strato compatto di ossido che blocca l’attacco dell’acido.

Fonti

Il ferro è il quarto elemento, in ordine di abbondanza, sulla superficie terrestre, dopo ossigeno, silicio e alluminio; i suoi composti sono molto diffusi e, in lega con il nichel, è il costituente principale di alcuni meteoriti e del nucleo centrale della Terra. A causa della elevata reattività con l'ossigeno, si rinviene allo stato elementare o nativo in piccole quantità e in poche regioni, tra le quali la Groenlandia e l'Irlanda. Solo alcuni minerali del ferro costituiscono giacimenti sfruttabili industrialmente: l'ematite, la goethite, la magnetite, la siderite e la limonite. La pirite è utilizzata prevalentemente nella produzione dell'acido solforico. Piccole quantità di composti di ferro sono presenti nelle acque, nelle piante e in quasi tutti gli alimenti; esso è inoltre un componente essenziale negli organismi animali, perché presente nella molecola dell'emoglobina.

Usi e proprietà

Le caratteristiche fisiche e chimiche del ferro possono essere sensibilmente migliorate mediante aggiunta di atomi di carbonio e di altri elementi in lega; queste procedure, utili anche per eliminare le impurità invariabilmente presenti nel ferro commerciale, sono impiegate nella produzione di ghisa e acciaio, che costituiscono le principali applicazioni industriali di questo metallo. Allo stato puro, preparato per elettrolisi di soluzioni di solfato ferroso, ha uso limitato alla produzione di lamiera zincata e di elettromagneti.

Composti di ferro sono contenuti in medicinali usati come tonici e nel trattamento dell'anemia, quando la quantità di emoglobina o il numero di globuli rossi nel sangue sono inferiori alla norma.

Composti

Il più importante composto del ferro bivalente è il solfato di ferro, detto anche vetriolo verde, un sale verde chiaro che cristallizza con sette molecole di acqua di idratazione. Si ottiene in grandi quantità come sottoprodotto del decapaggio del ferro e viene usato come mordente in tintoria, come tonico in medicina e nell'industria degli inchiostri e dei pigmenti.

L'ossido di ferro, una polvere amorfa rosso-bruna, si ottiene dal trattamento dei sali di ferro con una base o dall'ossidazione della pirite. Viene usato quale pigmento (rosso ferro o rosso veneziano), come polvere abrasiva lucidante e come mezzo magnetizzabile nei nastri e nei dischi magnetici. Il cloruro di ferro, un composto cristallino verde scuro che si ottiene per riscaldamento del ferro con il cloro, viene usato in medicina in soluzione alcolica con il nome di tintura di ferro.

Gli ioni ferro e ferro formano con lo ione cianuro dei complessi molto stabili. L'esacianoferrato di ferro, o ferrocianuro ferrico, è un solido amorfo blu scuro formato dalla reazione dell'esacianoferrato di potassio con un sale di ferro, noto con il nome di blu di Prussia. Viene usato come pigmento e come azzurrante per correggere l'ingiallimento dei tessuti dovuto alle tracce di sali ferrosi presenti nell'acqua. L'esacianoferrato di potassio (ferri cianuro di potassio o prussiato rosso), viene usato nella produzione della carta per cianografia, mentre l'esacianoferrato di potassio e ferro, è un pigmento noto con il nome di azzurro di Turnbull, usato per il trattamento della carta per negativi.

Le reazioni fisico-chimiche tra il ferro e il carbonio sono alla base del processo di formazione della ghisa e dell'acciaio.

Acciaio

Acciaio è il nome dato ad una lega composta principalmente da ferro e carbonio, quest'ultimo in percentuale non superiore al 2,11%: oltre tale limite, le proprietà del materiale cambiano e la lega assume la denominazione di ghisa.

Oltre al carbonio possono essere presenti degli ulteriori elementi. In base alla composizione chimica gli acciai si possono distinguere in tre gruppi:

• acciai non legati
• acciai leggermente legati (basso legati)
• "acciai legati".

Il carbonio si presenta esclusivamente sotto forma di cementite. Le particelle di cementite presenti nella microstruttura dell'acciaio, in determinate condizioni, bloccano gli scorrimenti delle dislocazioni, conferendo all'acciaio caratteristiche meccaniche migliori di quelle del ferro puro.
Gli acciai sono leghe sempre plastiche a caldo, cioè fucinabili, a differenza delle ghise.

L'importanza dell'acciaio è enorme, i suoi usi sono innumerevoli, come anche le varietà in cui esso viene prodotto: senza la disponibilità di acciaio in quantità e a basso costo, la rivoluzione industriale non sarebbe stata possibile.

Produzione dell'acciaio

Estrazione e preparazione dei minerali di ferro

Il processo industriale siderurgico comincia con l'estrazione dei minerali metalliferi contenenti il ferro dalle cave o dalle miniere. Si effettua la frantumazione dei minerali estratti ed una successiva macinazione. Questi poi vengono lavati da polveri ed impurità e categorizzati a seconda della concentrazione dei metalli. A questo punto i minerali di ferro sono stati ripuliti dalla maggior parte delle impurità e sono pronti per essere fusi negli altiforni.

Colata in lingotti

La siviera dove è stato colato l'acciaio presenta un foro sul fondo aperto da un dispositivo a spina; sulla parete del contenitore sono posti due perni per il suo sollevamento e un maniglione per il suo rovesciamento. Una volta sollevata, la siviera è posta sopra a delle lingottiere in ghisa e si procede al colaggio del metallo. Esistono tre sistemi per versare l'acciaio nelle lingottiere:

1) Colaggio diretto: consiste nel portare la siviera sopra alla lingottiera e colare in essa il metallo.

2) Colaggio in sorgente: l'acciaio è scaricato in una colonna, essa è collegata a canali sotterranei che portano il metallo a sorgere nella lingottiera dal fondo.

3) Colaggio sotto vuoto: è impiegato solamente per la produzione di grossi lingotti ed evita che si formino occlusioni gassose.

Dopo il colaggio le lingottiere vengono portate nel reparto per lo strippaggio, ossia si estraggono i lingotti appena solidificati dalle lingottiere.

La colata continua è un procedimento più recente della colata in lingotti, che abbina il processo di solidificazione alla laminazione primaria.

Acciaio per molle

Proprietà richieste sono:

• tensione di snervamento vicina alla tensione di rottura;
• resistenza alla fatica, ottenuta con struttura omogenea di almeno 80% di martensite al cuore (quindi l'acciaio è molto temprabile).

Con le leghe al solo carbonio, in concentrazione superiore allo 0,40%, si hanno gli acciai armonici, per cemento armato precompresso, funi (in questo caso vengono patentati), strumenti musicali.
Per usi più impegnativi si aggiunge soprattutto il silicio fino al 2%, che rafforza ma infragilisce; il cromo aumenta la temprabilità, il nichel aumenta la tenacità. Alcuni esempi: 55Si7 per sospensioni e balestre dei treni.
Si esegue sempre il rinvenimento a 450°C così che i carburi precipitino ma non inizino a coalescere.

Acciaio inossidabile

Acciaio inox o acciaio inossidabile è il nome dato correntemente agli acciai ad alto tenore di cromo, per la loro proprietà di non arrugginire se esposti all'aria e all'acqua: il cromo, ossidandosi a contatto con l'ossigeno, si trasforma in ossido di cromo che aderisce al pezzo, impedendone un'ulteriore ossidazione (tale fenomeno è noto come passivazione).
Sono una classe estremamente importante di acciai, usata per gli scopi più disparati: a partire dalla loro scoperta nel 1913, e grazie soprattutto ai successivi progressi della metallurgia fra gli anni '40 e '60, hanno ampliato il loro sviluppo e le loro applicazioni; tuttora vengono perfezionati e adattati alle richieste dei vari settori industriali, come il petrolifero/petrolchimico, minerario, energetico, nucleare ed alimentare.

Acciaio per utensili

Per le applicazioni meno severe si possono usare acciai al solo carbonio, altrimenti è necessario aggiungere elementi leganti per aumentare la durezza.

• Carbonio: una concentrazione dello 0,6% potrebbe già offrire la massima durezza, tuttavia parte del C si combina con altri elementi presenti e quindi può essere necessario aumentarne il contenuto.
• Manganese: ha azione disossidante, migliora la temprabilità e facilita la formazione di carburi.
• Silicio: ha azione disossidante, aumenta la resistenza all'ossidazione.
• Cromo: aumenta la temprabilità, stabilizza i carburi.
• Vanadio: previene l'ingrossamento del grano, utile per avere durezza ad alta temperatura.
• Tungsteno e molibdeno: utili per la resistenza all'usura alle alte temperature.
• Cobalto: presente negli acciai super-rapidi.

Data la presenza di carburi di difficile soluzione, la tempra è eseguita ad alta temperatura; si deve comunque valutare bene quest'ultima in quanto, se troppo bassa, il carbonio non si scioglie e si forma martensite povera; se troppo alta, un'eccessiva quantità di carbonio entra nell'austenite stabilizzandola fino a bassa temperatura.
Nel caso di acciai per lavorazioni a caldo e rapidi, si ha un indurimento secondario aumentando la temperatura di rinvenimento oltre i 400°C.

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