Metallurgia

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La metallurgia è la disciplina tecnica che riguarda essenzialmente lo studio dei metalli, del loro comportamento e dei procedimenti tecnici relativi al loro ottenimento e lavorazione.

[modifica] Metallurgia di processo

Le materie prime nel ciclo di fabbricazione dei metalli appartengono principalmente a 2 tipologie: i minerali dei metalli e i rottami metallici. Le operazioni che conducono alla produzione di un metallo sono oggetto della metallurgia estrattiva o primaria. I minerali sfruttati industrialmente sono principalmente ossidi, solfuri e silicati.

I trattamenti di preparazione, che iniziano con la frantumazione della roccia, servono a concentrare il minerale. Si aumenta la superficie di contatto, si rendono le particelle equidimensionali e si esegue l'arricchimento:

• per via magnetica, se il minerale è ferromagnetico;
• per flottazione: il materiale polverizzato è immerso in una soluzione acquosa contenente un agente schiumogeno, le cui bollicine avvolgono il minerale e lo portano in superficie;
• per separazione elettrostatica (conducibilità elettrica diversa tra minerale e ganga);
• per via gravimetrica (diversa velocità di sedimentazione dei componenti del materiale scavato).

A volte sono effettuati i trattamenti estrattivi preliminari, di natura chimico-fisica, per trasformare i minerali in composti più facilmente manipolabili (alcuni esempi: calcinazione, arrostimento).

[modifica] I processi di estrazione

In base alla forma di energia utilizzata per separare il metallo dalle impurezze e dalla ganga si distinguono 3 principali processi metallurgici:

• pirometallurgici (energia termica)
• idrometallurgici (energia di dissociazione di natura chimica)
• elettrometallurgici (energia elettrica)

Nei processi pirometallurgici il caso più comune è quello degli ossidi e dei solfuri. Le reazioni di dissociazione (endotermiche, cioè assorbono calore) sono:
2MeO ↔ 2Me + O₂ - ΔH_oss
2MeS ↔ 2Me + S₂ - ΔH_sol
Si consideri che la dissociazione avviene spontaneamente solo con la diminuizione dell'energia libera ΔG° del composto. In base a tale principio e alla definizione di energia libera si può calcolare la T*, temperatura minima di dissociazione.
Per un ossido la T* può essere calcolata con la relazione semiempirica di Matignon-Le Chatelier:

Quando la temperatura risulta troppo elevata, anche operando in sotto vuoto, si utilizzano specie chimiche riducenti: rispetto al metallo esse hanno maggiore affinità con l'ossigeno, formando così un ossido.
Maggiormente usato è il carbonio, come CO (riduzione indiretta) e come carbone (riduzione diretta):
MeO + CO ↔ Me + CO₂
MeO + C → Me + CO

Con i solfuri si avrebbe teoricamente la dissociazione:
MeS ↔ Me + 0,5 S₂
Tuttavia non si ha una corrispondenza univoca tra pressione e temperatura di dissociazione, in quanto i solfuri formano soluzioni solide con i loro metalli e il sistema diventa bivariante, cioè dipendente anche dalla concentrazione.

Nei processi idrometallurgici il minerale, solubile o reso tale, e la ganga sono immersi in soluzione acquosa. La ganga insolubile è separata per filtrazione o decantazione, quindi il metallo è estratto introducendo un sale o un altro metallo (meno importante e recuperabile), che fanno precipitare il metallo principale e non le impurezze.

Nei processi elettrometallurgici un sale metallico fuso o in soluzione acquosa è sottoposto a dissociazione elettrolitica, con deposizione al catodo del metallo per riduzione.

[modifica] La produzione della ghisa e dell'acciaio

I minerali più sfruttati sono gli ossidi (magnetite Fe₃O₄ ed ematite Fe₂O₃).
Il ciclo prevede le fasi:

1. pretrattamenti: frantumazione e vagliatura;
2. arricchimento: magnetico o per flottazione, fino al 65%;
3. agglomerazione: polveri troppo fini intaserebbero l'altoforno, per cui si ricorre al sinteraggio (in sferule di 10-25 mm) o alla pellettizzazione (aggiunta di umidità e fini di coke);
4. estrazione pirometallurgica: nell'altoforno, per riduzione del minerale con coke, si ottiene la ghisa di prima fusione;
5. affinazione termica: la ghisa è trasformata in acciaio nei convertitori L.D.;
6. lavorazioni plastiche.
   

Il coke metallurgico fornisce l'energia per la riduzione degli ossidi di Fe, il C per la riduzione diretta e il CO per la indiretta.
Il calcare rende fusibile la ganga, generalmente silicea, a una T di poco superiore a quella del metallo.

L'altoforno è caricato con strati di minerale, calcare e coke. La carica solida discende e avviene la riduzione prima indiretta, grazie al vento, gas riducente a base di CO, e poi diretta, grazie al C. La ganga, il calcare e il ferro si raccolgono nel crogiolo in due strati. Si giunge così alla ghisa di prima fusione, che contiene C = 5%, Si < 3,5%, Mn < 2,5%, P < 1,5%, S < 0,1%.
Essa è versata nei forni convertitori LD, insieme a rottame d'acciaio e calce. In essi l'ossigeno riduce il carbonio, il silicio, il manganese e il fosforo; la calce estrae lo zolfo.

Tutti gli acciai speciali e parte di quelli di massa nascono dal ciclo da rottame. La creazione avviene nel Forno Elettrico ad Arco (FEA) trifase rivestito di materiale refrattario. La tensione elettrica fa scoccare un arco fra i 3 elettrodi di grafite e il metallo, che fonde per irraggiamento ed effetto Joule e si porta a 1500°C circa.
Successivamente, se l'acciaio è di massa, nello stesso FEA è insufflato ossigeno per ottenere la decarburazione e la defosforazione. Tale O, purtroppo, provoca anche l'ossidazione di parte del Fe, che finisce nella scoria o rimane nel bagno come FeO; si aggiungono allora Si e Al, più affini per l'ossigeno rispetto al Fe, nella fase detta calmaggio (evita la rimonta di acciaio trascinato dalle bolle di CO). Mn e Ca aiutano la desolforazione.
Se invece l'acciaio è speciale, per esempio ad alto cromo (soprattutto inossidabile), il bagno è trasferito dal FEA al convertitore AOD (argon oxygen decarburation): questi gas riducono l'ossidazione del cromo. Come l'LD, pure l'AOD a volte deve essere raffreddato (reazioni esotermiche). Seguono il calmaggio e la desolforazione.

Il colaggio in lingottiera è necessario per manufatti di notevoli dimensioni, ottenibili per fucinatura di lingotti. Se l'acciaio contiene oltre lo 0,10% di C, è usata la materozza per mantenere liquida la sommità del lingotto, dove così si forma la cavità di ritiro. Se l'acciaio è extradolce (C < 0,10%), non si effettua il calmaggio e le bolle di CO compensano il ritiro: la materozza non serve.
Nel colaggio in continuo il bagno passa da un bacino in refrattario a una lingottiera, quindi a zone di raffreddamento e infine a una cesoia. Si ricavano la billetta (lato < 160 mm), il blumo (lato > 160 mm), la bramma (per lamiere).
Il colaggio in forma è conveniente per pezzi complessi o in grande serie.

[modifica] Trattamenti termici

Diversi trattamenti termici e termochimici sono imposti al metallo per modificarne le caratteristiche resistive o di lavorabilità. Molti metalli hanno infatti diverse varianti allotropiche in funzione della temperatura: tra questi il ferro passa dalla struttura c.c.c del ferro α a quella c.f.c del ferro γ per poi, aumentata ulteriormente la temperatura, presentare nuovamente struttura c.c.c con il ferro δ.

La struttura cristallina di un acciaio può variare sensibilmente se, una volta scaldato al di sopra della temperatura di austenitizzazione, esso è portato, con una certa velocità di raffreddamento, ad una temperatura inferiore. A seconda delle modalità di raffreddamento, potrà formarsi perlite (l'eutettoide lamellare ferrite-cementite), bainite e martensite. È la Curva di Bain a descrivere la trasformazione isoterma dell'austenite.

Le leghe metalliche ferro-carbonio, cioè gli acciai (la percentuale di C è inferiore al 2%) e le ghise, sono importantissime per la Metallurgia, ma altrettanto lo sono i loro trattamenti termici come ricottura, normalizzazione, tempra, rinvenimento, che causano modifiche sostanziali alle loro caratteristiche meccaniche.

In particolar modo la tempra vuole ottenere, raffreddando il metallo con una velocità al di sopra di un limite critico, una particolarissima struttura cristallina nota come martensite. La tempra tradizionale, che dona al metallo una grandissima durezza e resistenza a trazione a discapito di resilienza e tenacità, determina forti tensioni tra cuore e superficie del metallo. Nella bonifica la tempra è subito seguita dal rinvenimento che modifica la martensite e riduce le tensioni.

[modifica] Trattamenti termochimici

Sfruttando la diffusione solida, i trattamenti termochimici particolarmente usati sono la cementazione (che sfrutta il carbonio) e la nitrurazione (che sfrutta l'azoto). Entrambi hanno come obiettivo una superficie dura e un cuore tenace e lavorabile. Perché il C possa diffondersi nell'acciaio, è indispensabile trovarsi all'interno del campo γ: dopo la cementazione si ricorre ad una caratteristica doppia tempra (o in alternativa ad una tempra diretta o indiretta). La nitrurazione è più costosa, avviene a temperature più basse ma garantisce al metallo una maggiore durezza superficiale benche la diffusione dell' Azoto all interno del pezzo avvenga per uno spessore più piccolo di quello del carbonio. Un pezzo nitrurato può essere usato così come è, poiche data la bassa temperatura il pezzo trattato non ha subito deformazioni, quindi la nitrurazione di solito viene fatta a fine ciclo di lavorazione.

[modifica] Regola della leva

Per approfondire, vedi la voce Regola della leva.