Elementi chimici di leghe metalliche ferrose, impieghi nella metallurgia antica e moderna



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L'elemento principale nei metalli a base di ferro è appunto il ferro, che si presenta sotto forma metallica solamente se legato ad altri elementi (a differenza di rame, oro  e argento che sono presenti in natura già sotto forma metallica).
Nelle righe a seguire analizzerò brevemente gli elementi chimici più utilizzati nelle leghe a base di ferro, soprattutto in relazione agli effetti che essi hanno sul metallo  stesso; tra parentesi indicherò, per ogni elemento, il proprio simbolo chimico.

Carbonio (C)

In natura è presente in milioni di composti diversi, alcuni molto morbidi (grafite) ed  altri estremamente duri (diamante); nelle leghe ferrose il carbonio è probabilmente  l'elemento più importante, presente nella quasi totalità dei casi ma in percentuali  differenti.
La sua funzione principale è quella di aumentare resistenza, durezza e fragilità, migliorare la temprabilità e diminuire la saldabilità.
A seconda della sua diffusione, il metallo può essere classificato in 3 categorie  principali:
- acciaio a basso tenore di carbonio (fino allo 0,5% di carbonio), detto in gergo "ferro  dolce", molto tenero e difficilmente induribile.
- acciaio a medio tenore di carbonio (dallo 0,5% al 2,1% di carbonio), è l'acciaio  propriamente detto nel gergo comune, induribile mediante trattamenti termici  specifici.
- acciaio ad alto tenore di carbonio (dal 2,1% di carbonio in su), è detto  comunemente ghisa ed è estremamente duro.

Cromo (Cr)

Metallo bianco-argenteo non molto diffuso in natura, dove non si trova mai libero ma combinato in diversi minerali tra i quali il più importante è la Cromite. La sua principale funzione è quella di rendere inossidabile il metallo, favorendo la formazione di uno strato di ossido superficiale estremamente sottile (invisibile all'occhio) che  permette di proteggere gli strati inferiori dall'ulteriore ossidazione. Inoltre favorisce i trattamenti termici migliorando la durezza ottenibile, la resistenza alla corrosione e all'usura, a discapito di una maggiore fragilità.

Vanadio (V)

Metallo di colore grigio-argenteo, morbido e duttile, utilizzato principalmente nella produzione di leghe metalliche di alta qualità; presente solitamente in piccole percentuali (0,15-0,2%), migliora la risposta ai trattamenti termici e aumenta considerevolmente la durezza, la resistenza alla corrosione e la resistenza agli urti.

Manganese (Mn)

Anche questo elemento trova principale applicazione nella produzione di leghe metalliche, che ne contengono quasi sempre una minima percentuale.
Di aspetto simile al ferro, duro e molto fragile, si può fondere con difficoltà a causa della facilità con cui si ossida.
In metallurgia svolge l'importante compito di de-ossigenare il metallo e di aumentarne la legabilità; inoltre aumenta la durezza e migliora la risposta ai trattamenti termici.
Può essere presente in percentuali che vanno dallo 0,5 al 2%. In percentuali dal 12% al 14% (acciai Hadfield) provoca una eccezionale resistenza all'usura.

Nichel (Ni)

Utilizzato dall'uomo da alcuni millenni in lega con ferro o rame, è un elemento presente con una certa quantità sulla terra e secondo alcune teorie costituirebbe (assieme al ferro) gran parte del nucleo della terra. Di color grigio-argenteo, molto duttile, eleva la durezza e migliora la tenacità, favorisce la temprabilità e diminuisce la sensibilità al surriscaldamento. Unito al cromo, migliora la resistenza al calore, alla corrosione e la resilienza.

Molibdeno (Mo)

Il suo nome deriva dal greco e significa "simile al piombo" per la colorazione grigio-argentea, in natura si trova solamente in composti corrispondenti ai suoi stati di ossidazione. L'80% del molibdeno viene impiegato per la produzione di acciai legati dove ne aumenta la durezza, resistenza alla corrosione, all'abrasione e la tenacità a caldo. In piccole percentuali aumenta la temprabilità ed accresce la resistenza all'usura.

Fosforo (P)

Il suo nome deriva dal greco e significa "portatore di luce", probabilmente per il fatto che esposto all'aria emana una debole luce (fosforescenza). Allo stato naturale può trovarsi in diverse forme e colori, la sua aggiunta migliora la resistenza alla corrosione atmosferica e all'usura, migliora inoltre la lavorabilità attraverso l'asportazione di trucioli.

Tungsteno  o Wolframio (W)

Metallo bianco-argenteo, raro in natura, non si trova mai libero ma in composti corrispondenti al suo stato di ossidazione. Viene utilizzato soprattutto negli acciai per utensili, dove ne migliora la durezza ad elevate temperature: anche a 600° gli utensili sono in grado di mantenere il loro tagliente intatto.

Silicio (S)

Noto all'uomo come silice, un composto utilizzato per la preparazione del vetro, è molto presente in natura tant'è che si pensa sia uno degli elementi più comuni nell'intero universo, assieme a idrogeno, elio e ossigeno. In siderurgia è utilizzato per aumentare le caratteristiche meccaniche ad esclusione della tenacità e ridurre la facilità delle lavorazioni plastiche. Migliora anche la temprabilità.

Cobalto (Co)

Abbastanza diffuso in Egitto e Mesopotamia fin dalla prima metà del III millennio a.C., si presenta di colore grigio-acciaio, abbastanza simile al ferro ma più duro e meno malleabile. Usato particolarmente negli acciai per lavorazioni rapide, ne aumenta la durezza, tenacità e resistenza all'ossidazione a caldo.

Alluminio (Al)

Altro metallo tra i più presenti in natura, nella quale non si trova mai libero ma combinato, di colore bianco-argenteo e peso leggero. L'alluminio può essere aggiunto assieme al cromo per migliorare la resistenza all'ossidazione a caldo. Inoltre svolge l'importante funzione di favorire l'assorbimento di azoto durante la nitrurazione, una operazione alla quale vengono sottoposti acciai dai quali ottenere elevata durezza e resistenza alla fatica.

Piombo (Pb)

Metallo raramente presente in natura allo stato naturale, di colore bianco-azzurro, molto tenero, malleabile e  pesante, viene utilizzato in molti campi ed è un elemento fondamentale per molte leghe metalliche non ferrose.
Forse per la relativa facilità con la quale può essere estratto dai suoi minerali, è stato uno dei primi elementi metallici noti, probabilmente già dal 5000 a.C. agli egizi; successivamente fu utilizzato da fenici e cinesi nel 2000 a.C., infine fu conosciuto dai Romani i quali lo utilizzarono su larga scala, ad esempio per la produzione di condutture d'acqua.
Viene solitamente aggiunto in piccole percentuali (0,15-0,30%) e la sua unica funzione è quella di aumentare la lavorabilità, non aggiunge altre caratteristiche.


Alcune classificazioni degli acciai

Le caratteristiche degli acciai intesi come lega di ferro e carbonio, possono essere notevolmente modificate per conseguire determinate proprietà con l'aggiunta degli elementi sopra elencati (i più comuni): in questo caso si parla di acciai legati.
Dipendentemente dal numero di elementi presenti in lega e della loro quantità, si può parlare di acciai debolmente legati e fortemente legati (in genere quando un elemento in lega supera il tenore del 5%).
Gli acciai al manganese, ad esempio, sono impiegati nella costruzione di pezzi che devono resistere agli urti (pale di macchine scavatrici), o essere difficilmente lavorabili (lamiere per casseforti). Molto importante è il nichel, che conferisce migliore temprabilità, durezza, resistenza alla fatica e alla corrosione. Caratteristiche analoghe sono fornite dal cromo, che presente in quantità superiori al 10% conferisce inossidabilità. Gli acciai rapidi, che devono essere duri e resistenti a rotture anche ad elevate temperature, contengono tungsteno in percentuali che vanno dal 10% al 18%; si parla di acciai extrarapidi se, oltre ad elevate quantità di tungsteno, viene aggiunto anche cromo e vanadio. Effetti analoghi dell'aggiunta di tungsteno e cromo sono ottenuti dal molibdeno.
Un'altra famiglia di acciai che ha notevoli applicazioni è quella contenente silicio, soprattutto nelle costruzioni elettriche ed elettromeccaniche (motori, trasformatori, ecc).
Le norme unificate di classificazione degli acciai per l'Italia, sono riportate in una tabella UNI che divide gli acciai in due gruppi a seconda che siano disegnati in base alle caratteristiche fisiche o chimiche, permettendo di rappresentare con un numero limitato di lettere e cifre il tipo e le caratteristiche di ognuno.
Spesso per la designazione si usa fare riferimento a unificazioni straniere, in particolare quelle americane (SAE e AISI), che si basano sull'adozione di una serie di numeri caratteristici.


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Bibliografia

- Nuovo dizionario di merceologia e chimica applicata, Volume 1, di Vittorio Villavecchia, Gino Eigenmann, Hoepli editore.

- Saldatura per fusione, Volume 2 a cura di Istituto italiano della saldatura, Hoepli editore.

- Enciclopedia della chimica, Garzanti editore.






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