I MILLE PERCHÉ - CHIMICA E FISICA - LE LEGHE

PERCHÉ SI USA LEGARE ASSIEME METALLI DIVERSI?

Quando abbiamo toccato l'interessante argomento della fisica atomica, abbiamo detto come gli atomi si presentino, per ogni corpo, provvisti di una certa carica elettrica.

Particolari metalli, grazie ad affinità strutturali ed a condizioni di carica elettrica che determinano una forza attrattiva tra gli atomi, si prestano a mescolarsi assieme dando luogo alle cosiddette «leghe».
Dopo aver abbandonato la pietra, l'uomo fondò la sua prima civiltà sull'uso del rame e quindi sull'impiego di una lega, il bronzo, formato dall'unione del rame con lo stagno.

L'età del bronzo si protrasse per tutto il secondo millennio a.C. e fu soppiantata, in epoca storica, dalla civiltà fondata sull'uso del ferro. Una lega offre il notevole vantaggio di mettere a disposizione dell'uomo un materiale che presenta le qualità più utili dei metalli che la compongono. Al bronzo, ad esempio, il rame conferisce malleabilità, lo stagno durezza. Variando le percentuali dei due metalli si può ottenere quindi un bronzo più o meno malleabile o più o meno duro.
Con l'aggiunta poi di altri elementi, come ad esempio il silicio, l'alluminio, il manganese, il fosforo, il piombo, etc., si conferiscono al bronzo particolari caratteristiche, a seconda dell'impiego al quale è destinato.

Ancor oggi l'uso del bronzo è abbastanza diffuso: oltre ad essere ancora impiegato nelle fusioni statuarie e negli oggetti d'arte e di artigianato, trova numerose applicazioni nelle costruzioni meccaniche (leghe antifrizione, bronzine, eccetera).
Abbiamo parlato del bronzo non perché sia la unica lega esistente, ma perché fu la prima lega utilizzata dall'uomo.

Oggi è estremamente raro incontrare oggetti fabbricati con metallo puro: l'argento e l'oro stesso sono infatti delle leghe e si può dire che ogni oggetto sia in realtà una lega.

Ricordiamo le più diffuse. Oltre al bronzo è a voi senz'altro noto l'ottone, lega di rame e zinco, anch'essa nota fin dai tempi più antichi: l'industria degli oggetti in ottone era già fiorente in età romana prima dell'avvento di Cristo. Ma la lega più importante, di cui parleremo, è senz'aLtro l'acciaio, risultato dell'unione del ferro con il carbonio.

Leghe meno note sono, infine, le leghe speciali per utensili (in genere a base di cobalto, tungsteno, molibdeno etc.) che vengono saldate ad un supporto di acciaio formando un utensile particolarmente attivo e capace di sopportare elevate velocità di taglio, poi la cosiddetta «lega americana» per costruzioni motoristiche, formata in prevalenza di alluminio con l'aggiunta di rame, ferro e silicio, le leghe piroforiche, di varia composizione, contenenti ferro e metalli del gruppo del cerio, capaci di produrre scintille se sottoposte ad attrito o a percussione ed infine la lega tipografica, lega di piombo con cui si fondono i caratteri, contenente antimonio e stagno.

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PERCHÉ MOLTI OGGETTI SONO D'ACCIAIO?

L'acciaio è una lega formata dall'unione del ferro con il carbonio e prodotta allo stato fuso, nella quale il carbonio partecipa in quantità inferiori all'1,7%. Le leghe che contengono maggiori quantità di carbonio, infatti si chiamano ghise. L'acciaio è un materiale fondamentale nella nostra civiltà, poiché sta alla base d'ogni tipo di produzione meccanica. Possiamo dire che tutto ciò che ci circonda e che non sia un prodotto della Natura è fatto d'acciaio o ha avuto bisogno dell'acciaio per essere prodotto.

Che cos'ha l'acciaio in sé di così speciale da costituire l'elemento base della nostra civiltà? Per rispondere a questa domanda bisogna risalire molto indietro nel tempo e parlare dell'elemento chimico che forma prevalentemente questa importantissima lega: il ferro.

Il ferro è un metallo che, allo stato naturale, si presenta di colore bianco argenteo, è tenace, duttile, malleabile e fonde esattamente a 1535°. Per la sua duttilità e malleabilità, nonché per la notevole durezza, sostituì il bronzo, presso le prime civiltà protostoriche, verso la fine del secondo millennio avanti Cristo.

Come abbiamo accennato precedentemente è assai raro trovare in Natura ferro «nativo», ferro metallico allo stato puro, mentre sono assai abbondanti i suoi composti, i vari ossidi, l'idrato, il carbonato, il solfuro di ferro e così via.

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Sappiamo, inoltre, che il ferro non subisce alterazioni se a contatto di anidride carbonica. All'umidità, invece, viene attaccato dalla «ruggine», risultato del processo di ossidazione-carbonazione di cui abbiamo già parlato. Per molti secoli il ferro fu utilizzato allo stato naturale. Nel 1740 l'inglese Benjamin Huntsman ottenne per la prima volta l'acciaio fondendo in un crogiolo del ferro cementato.

Da quel momento il ferro fu sostituito da questa nuova lega che presentava caratteristiche superiori, di durezza, tenacia, elasticità, lavorabilità. Come abbiamo detto, il ferro, unito al carbonio, dà origine a leghe diverse: se la quantità di carbonio è inferiore a 1,7% si hanno gli acciai, mentre se è superiore si hanno le ghise. Maggiore è la quantità di carbonio, maggiore è la durezza della lega, come maggiore è la sua fragilità: la ghisa, ad esempio, è un materiale durissimo (avete presente la vostra stufa a legna? È fatta di ghisa! ma molto fragile).

Nella produzione dell'acciaio si tiene in massimo conto l'uso per il quale è destinato e, variando il tenore del carbonio, si possono ottenere «acciai dolci» (da 0,06 a 0,2% di carbonio) usati per fabbricare ingranaggi, viti, costruzioni meccaniche, lamiere, profilati e così via, «acciai semiduri» (0,30 - 0,40% di carbonio) per assali, bielle, molle etc., «acciai duri» (0,50% di carbonio) per canne di fucili, cilindri per motori etc., ed infine acciai durissimi o extra-duri (0,60 - 0,85% di carbonio) per strumenti agricoli, utensili vari.

Assai diffusi oggi sono particolari tipi di acciaio, detto «speciale», leghe ai cui componenti fondamentali (ferro e carbonio) si aggiungono altri elementi atti a conferire loro particolari caratteristiche.

I più noti e diffusi sono gli acciai al nichelio, il quale determina la formazione di una struttura più fine che favorisce la penetrazione della tempra, gli acciai al cromo il quale ne aumenta la durezza e ostacola del tutto l'azione corrosiva della ruggine. Questi due acciai spesso si fondono in uno solo, nell'acciaio al nichelcromo, di alta qualità.

Quindi si hanno acciai al manganese, al silicio, al molibdeno, al wolframio, al tungsteno, al cobalto, al vanadio e così via, ognuno dei quali presenta particolari caratteristiche ora di resistenza al calore, ora di maggiore lavorabilità, ora di durezza, ora di elasticità, a seconda degli impieghi per cui è destinato.

Una citazione a parte merita l'acciaio per utensili, ad altissimo tenore di carbonio (1,5%), caratterizzato da elevata durezza, tenacità e resistenza alle alte temperature; simili acciai, uniti alle sostanze sopracitate, costituiscono materiali eccezionali, sia nel campo degli «acciai legati» sia in quello degli «acciai rapidi», il meglio che la tecnologia moderna produca per la lavorazione meccanica.

Come si fa l'acciaio?

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Il minerale di ferro (ematite, magnetite, siderite, limonite, etc.) estratto dalle miniere viene trasportato agli altiforni dove brucia a contatto con il carbon fossile, si libera dalla «ganga» e si combina con il carbonio del carbon fossile. Dagli altiforni, dunque, il ferro esce già sotto forma di lega: è ghisa ad altissimo tenore di carbonio.

Una parte della ghisa viene utilizzata così com'è, mentre la rimanente viene inviata alle acciaierie per essere raffinata, liberata cioè di gran parte del carbonio assorbito nell'altoforno, e trasformata in acciaio.

I procedimenti oggi usati per la produzione dell'acciaio sono diversi, tra cui ricordiamo quelli «al crogiolo», «al convertitore», «al forno Martin-Siemens», al «forno elettrico» ed infine mediante il processo della metalloceramica.

La fabbricazione dell'acciaio al crogiolo consiste nel fondere in crogioli di materiale refrattario (un composto di grafite pura, argilla e silice) ghisa e rottami di acciaio e di ferro nelle proporzioni opportune per ottenere la voluta percentuale di carbonio. Durante la fusione, che dura 8-10 ore, avvengono alcune reazioni di affinazione tra le sostanze riducenti del materiale, il carbonio e la silice del crogiolo e il metallo allo stato fuso in cui è disciolto ossido ferroso. Se il materiale impiegato nella fusione è esente da zolfo e da fosforo, si ottiene un acciaio di alta qualità, quasi privo di sostanze estranee. Il procedimento «al convertitore» consiste nell'eliminare il carbonio in eccesso dalla ghisa, ossidandolo con una corrente d'aria fatta gorgogliare attraverso il metallo fuso, contenuto in un recipiente rotante a forma di pera (convertitore Bessemer) fatto di materiale refrattario. L'aria è insufflata a pressione attraverso numerosi buchi praticati sul fondo del recipiente.

Uno dei sistemi più diffusi per la fabbricazione dell'acciaio è quello che utilizza il forno Martin-Siemens. Questo è un particolare forno «a riverbero», in cui il riscaldamento avviene in prevalenza per irraggiamento. Ha pianta rettangolare con pareti, volta e suola (la base sulla quale poggia il materiale di fusione) di materiale refrattario, rinforzate da una robusta armatura metallica esterna. Il riscaldamento si ottiene bruciando nel forno combustibili generalmente gassosi, i quali vengono convogliati tramite opportuni canali di adduzione sotto la suola. I materiali ivi posti giungono a fusione, decarburandosi.

La fabbricazione al forno elettrico permette, grazie alle altissime temperature che il forno può raggiungere, un prodotto assai raffinato; inoltre la possibilità di controllare e di dosare l'atmosfera del forno (riducente od ossidante) consente l'eliminazione di elementi (che riducono la qualità dell'acciaio) quali il fosforo e lo zolfo, impossibile negli altri tipi di lavorazione.

Un posto a parte, infine, spetta al procedimento della metalloceramica che consiste nel riunire assieme, con pressioni che vanno dai 1000 ai 10.000 chilogrammi per centimetro quadrato di superficie, polveri metalliche. Questo procedimento consente di fabbricare l'acciaio di composizione esattamente definita e può essere impiegato per fabbricare pezzi abbastanza compatti direttamente nella forma finale voluta (ad es. ingranaggi) evitando così il costo della lavorazione meccanica.

Schema: un altoforno di tipo moderno e un recuperatore di tipo Cowper