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Luigi Caligaris Carlo Tomasello 1 Stefano Fava LABORATORI TECNOLOGICI ED ESERCITAZIONI Nuova Edizione OPENSchOOl Per il primo biennio degli Istituti Professionali settore Industria e Artigianato Edizione OPENSchOOl 1 LIBRODITESTO 2 e-BOOk+ 3 RISORSEOnLIne 4 pIattaFORMa HOEPLI Laboratori tecnologici ed esercitazioni Luigi CaLigaris stefano fava CarLo tomaseLLo Laboratori tecnologici ed esercitazioni Nuova Edizione OpENschOOL per il primo biennio degli Istituti professionali settore Industria e Artigianato VOLUME 1 editore uLriCo HoepLi miLano Copyright © Ulrico Hoepli Editore S.p.A. 2015 Via Hoepli 5, 20121 Milano (Italy) tel. +39 02 864871 – fax +39 02 8052886 e-mail [email protected] www.hoepli.it Tutti i diritti sono riservati a norma di legge e a norma delle convenzioni internazionali INdIcE VErIfIcA dEI prErEqUIsItI, 2 sore, 51 Caratteristiche della vite, 51 Matrice, 52 Materiali per la vite e per il cilindro, 53 Stampaggio con iniezione, 53 Pressa a vite, 54 Vite, 54 Termoindurenti nel processo d’iniezione, 55 Stampi per l’iniezione, 55 Formatura con sofaggio (Blow Moulding), 57 Soffaggio con estrusione, 57 Sofaggio con iniezione, 59 Confronto fra i due processi, 59 unità A1 caratteristiche dei materiali e leghe del ferro ............................................................................................................ 3 EsErcItAzIONI gUIdAtE A2.1 - A2.5, 60 VErIfIcA dEgLI ObIEttIVI dI UNItÀ, 66 VErIfIcA dEgLI ObIEttIVI dI MOdULO, 67 prEsENtAzIONE .................................................................................................................. X modulo A MAtErIALI dI INtErEssE INdUstrIALE ................................................................................................................. 1 A1.1 I materiali: generalità, 3 A1.2 Proprietà dei materiali, 4 Proprietà fsiche, 4 Proprietà meccaniche, 7 Proprietà tecnologiche, 8 A1.3 Ferro e sue leghe, 10 Materie prime, 12 Altoforno, 12 ...................... 69 ............................................................................................ 71 VErIfIcA dEI prErEqUIsItI, 70 unità b1 Metrologia A1.4 La ghisa, 13 B1.1 Le basi della metrologia, 71 Tipi di ghisa e loro designazione, 14 A1.5 L’acciaio, 15 Convertitori Bessemer e Tomas, 15 Convertitore a ossigeno, 15 Forno Martin-Siemens, 16 Forno elettrico ad arco, 16 Semilavorati di acciaio, 17 Classifcazione e applicazioni degli acciai, 17 Designazione degli acciai UNI EN 10027 e UNI EN 10025, 18 Ciclo termico, 19 Principali trattamenti termici, 20 Trattamenti termochimici, 21 EsErcItAzIONI gUIdAtE A1.1 - A1.7, 22 VErIfIcA dEgLI ObIEttIVI dI UNItÀ, 29 ............................ Generalità, 71 Sistemi e unità di misura, 72 Sistema Internazionale di misura (SI) – UNI CEI ISO 80000, 72 Multipli e sottomultipli decimali, 72 Unità non SI di uso più frequente, 74 Metro e righe millimetrate, 74 B1.2 Errori nelle misurazioni, 75 Defnizione di errore, 75 B1.3 Strumenti campione, 78 A1.6 Trattamenti termici delle leghe del ferro, 19 unità A2 Materiali speciali e loro utilizzo modulo b MIsUrAzIONE E cONtrOLLO 30 B1.4 Strumenti di misura di lunghezza, 81 Metro e righe millimetrate, 81 Nonio, 83 Calibro a corsoio, 84 Micrometro a vite, 86 Comparatore, 87 Goniometro universale a nonio, 88 Attrezzature complementari, 89 EsErcItAzIONI gUIdAtE b1.1 - b1.11, 92 VErIfIcA dEgLI ObIEttIVI dI UNItÀ, 103 A2.1 Materiali metallici non ferrosi, 30 Generalità, 30 Rame e sue leghe: bronzo e ottone, 30 Alluminio e sue leghe leggere, 32 Magnesio e sue leghe ultraleggere, 32 Cromo e nichel, 32 Stagno e sue leghe, 33 Piombo e sue leghe, 33 Titanio e sue leghe, 33 Metalli radioattivi, 33 Materiali sinterizzati, 34 A2.2 Legno, resine, materie plastiche, gomme e materiali compositi, 34 Legno, 34 Resine, 36 Materie plastiche, 36 Gomme, 38 Materiali compositi, 39 A2.3 Materiali nelle tecnologie elettriche ed elettroniche, 40 Tecnologia elettrica, 40 Tecnologia elettronica, 42 A2.4 Materiali per l’edilizia, 45 Pietre naturali, 46 Laterizi, 47 Materiali cementanti, 47 A2.5 Approfondimenti sulle materie plastiche, 48 Tipi di materie plastiche, 48 Materie prime per la fabbricazione delle plastiche, 49 Comportamento dei polimeri fusi, 49 Resine più utilizzate, 50 Estrusione, 50 Estru- unità b2 Misurazioni caratteristiche del settore meccanico .................................................................................... 104 B2.1 Strumenti speciali e macchine di misura, 104 Termocoppia – Misura della temperatura, 104 Manometro – Misura della pressione, 105 Macchine di misura – Certifcazione del prodotto, 106 B2.2 Prove meccaniche sui materiali metallici, 106 Prova di resistenza a trazione, 106 Prova a compressione, 107 Prova a fessione, 108 Prova di resilienza Charpy, 109 Prova di durezza, 110 B2.3 Testing sulle materie plastiche, 114 Introduzione, 114 Prove meccaniche, 114 Prove in temperatura, 115 Prove di resistenza alla famma, 116 Prove sulle proprietà elettriche, 116 Prove accelerate in ambienti esterni, 116 Prove di processabilità, 116 Prove per il controllo della qualità, 117 EsErcItAzIONI gUIdAtE b2.1 - b2.7, 118 VErIfIcA dEgLI ObIEttIVI dI UNItÀ, 125 unità b3 Misurazioni caratteristiche del settore elettrotecnico-elettronico ...................................... 126 B3.1 Grandezze elettriche, 126 Carica elettrica, 126 Campo elettrico e potenziale, 127 Corrente elettrica, 127 Corrente convenzionale, 127 B3.2 Strumenti di misura, 128 Generalità, 128 Caratteristiche principali di uno strumento di misura delle grandezze elettriche, 129 Multimetro – Misure di grandezze elettriche, 130 Istruzioni operative per le misure, 130 Oscilloscopio – Misura delle forme d’onda, 132 B3.3 Amperometri e galvanometri, 132 Amperometri a bobina mobile, 133 Amperometri a ferro mobile, 134 Amperometri elettrodinamici, 135 Amperometri a flo caldo, 135 B3.4 Elementi attivi e passivi, 135 B3.5 Resistori, 137 B3.6 Circuiti elettrici, 138 B3.7 Misura di resistenze: la prima legge di Ohm, 140 C1.8 Robotica, 196 Tipologie di robot, 196 Controllo e programmazione dei robot, 199 EsErcItAzIONI gUIdAtE c1.1 - c1.15, 200 VErIfIcA dEgLI ObIEttIVI dI UNItÀ, 217 unità c2 processi caratteristici dell’Elettronica e dell’Elettrotecnica ......................................... 219 C2.1 Storia dell’elettronica, 219 C2.2 Le applicazioni dell’elettronica, 220 La sensoristica, 220 Il presente (MEMS) e il futuro (bioelettronica), 221 Il microcontrollore, 222 La domotica, 222 C2.3 Le fgure professionali dell’elettronica, 223 Manutentore meccatronico, 223 Tecnico/manutentore autronico dell’automobile, 224 Responsabile della manutenzione industriale, 224 Progettista di sofware industriale, 224 Collaudatore di sistemi elettromeccanici ed elettronici, 224 Assemblatore di apparecchiature elettromeccaniche ed elettroniche, 224 Misura di resistenza con voltmetro a valle, 141 Misura di resistenza con voltmetro a monte, 142 Conclusioni: quale metodo usare, 143 C2.4 La produzione dell’elettricità, 224 EsErcItAzIONI gUIdAtE b3.1 - b3.5, 144 VErIfIcA dEgLI ObIEttIVI dI UNItÀ, 149 VErIfIcA dEgLI ObIEttIVI dI MOdULO, 150 C2.5 Le macchine elettriche, 226 Impianti di produzione dell’energia elettrica e fonti energetiche, 224 Macchine elettriche statiche – Trasformatori, 226 Macchine elettriche – Motori, 227 C2.6 Impianti elettrici civili e industriali, 228 modulo c prOcEssI cArAttErIstIcI dELLE tEcNOLOgIE ...................................................................................... 151 VErIfIcA dEI prErEqUIsItI, 152 unità c1 processi caratteristici della Meccanica ...................................................................................................... 153 C2.7 Le fgure professionali dell’elettrotecnica, 229 Montatore/installatore di apparecchiature elettromeccaniche ed elettroniche, 229 Assemblatore di apparecchiature elettromeccaniche ed elettroniche, 229 Elettricista impiantista, 229 EsErcItAzIONI gUIdAtE c2.1 - c2.4, 230 VErIfIcA dEgLI ObIEttIVI dI UNItÀ, 234 VErIfIcA dEgLI ObIEttIVI dI MOdULO, 235 C1.1 Le lavorazioni: generalità, 153 Lavorazioni a caldo, 154 Lavorazioni a freddo, 154 C1.2 Lavorazioni al banco, 154 Tracciatura, 155 Limatura, 156 Taglio a mano mediante seghetto, 158 Ciclo di lavorazione, 159 Foratura, 162 Alesatura al banco, 164 Filettatura a mano, 165 C1.3 Lavorazioni alle macchine utensili, 167 Generalità, 167 Tornitura, 167 Fresatura, 173 Aflatura e rettifcatura, 177 C1.4 Lavorazioni per deformazione plastica, 178 Processi produttivi, 178 Processi di lavorazione della lamiera, 180 C1.5 Saldatura, 183 Generalità, 183 Saldatura a gas ossiacetilenica, 184 Saldatura elettrica ad arco, 184 C1.6 Collegamenti, 186 Collegamenti amovibili, 186 Collegamenti fssi, 190 C1.7 Macchine a Controllo Numerico, 191 La tecnologia del Controllo Numerico, 191 Macchine utensili a Controllo Numerico, 192 Programmazione manuale, 193 Programmazione automatica CAM, 195 modulo d sIcUrEzzA E sALUtE .......................................... 237 VErIfIcA dEI prErEqUIsItI, 238 unità d1 Elementi di antinfortunistica e territorio ........................................................................................................................ 239 D1.1 Elementi di antinfortunistica, 239 Salute, sicurezza ed ergonomia, 239 D1.2 Primo soccorso e pronto soccorso, 242 Prima regola: “Non nuocere”, 242 Seconda regola: “Garantire la sicurezza”, 242 Terza regola: “Attivare il pronto soccorso”, 243 D1.3 Barriere architettoniche, 243 D1.4 Pianifcazione territoriale, 245 Compatibilità ambientale dell’industria (risorse ed ecologia), 245 L’urbanistica moderna, 248 Conservazione del patrimonio artistico-culturale e restauro, 249 EsErcItAzIONI gUIdAtE d1.1 - d1.4, 251 VErIfIcA dEgLI ObIEttIVI dI UNItÀ, 255 unità d2 Legislazione sulla sicurezza ................................... 256 D2.1 La legislazione antinfortunistica, 256 D2.2 Segnaletica antinfortunistica, 257 D2.3 Sicurezza nell’attività lavorativa, 260 Lavorazioni al banco con la lima, 260 Lavorazioni al banco di tracciatura e bulinatura, 260 Lavorazioni al trapano, 260 Lavorazioni alle macchine utensili, 261 Lavorazioni della lamiera, 261 Operazioni di saldatura, 262 D2.4 Il rischio elettrico e il pericolo incendio, 262 Il rischio elettrico, 262 Il pericolo incendio, 263 Norme di prevenzione incendi, 264 D2.5 Il rischio chimico, 266 Classi di pericolo, 266 Pericoli per la salute umana, 266 Pericoli per l'ambiente acquatico, 267 Classe di pericolo supplementare per l'Unione Europes, 267 Etichettatura delle confezioni, 267 D2.6 Il Decreto Legislativo 81/2008 e successive modifche, 272 E1.6 Reverse Engineering, 294 Introduzione, 294 Il ciclo della Reverse Engineering, 294 Metodi e dispositivi di rilevazione dei punti, 295 Scanner 3D piezoelettrici, 296 Settori di impiego dello scanner ottico 3D, 297 E1.7 Marketing, 298 Evoluzione dell’orientamento al mercato, 298 Funzioni strategiche del marketing, 298 Piano di marketing, 299 Marketing e territorio, 299 E1.8 Contratti di compravendita e di garanzia, 300 Oggetti e fgure di compravendita, 300 Gli obblighi del venditore, 300 Gli obblighi del compratore, 301 La vendita di beni di consumo, 301 EsErcItAzIONI gUIdAtE E1.1 - E1.5, 303 VErIfIcA dEgLI ObIEttIVI dI UNItÀ, 308 unità E2 documentazione, archiviazione e ricerca .................................................................................. 309 E2.1 Il fusso di informazioni, 309 E2.2 Sistemi di riproduzione e archiviazione, 311 Generalità, 272 Obblighi del datore di lavoro, dei lavoratori e fonti di rischio, 272 Valutazione dei rischi, 273 Dispositivi di protezione individuale (DPI), 274 Informazione e formazione, 274 Uso di attrezzature munite di videoterminali (VDT), 275 Nuova Direttiva Macchine 2006/42/CE, 275 E2.3 Tecniche di consultazione e ricerca, 316 EsErcItAzIONI gUIdAtE d2.1 - d2.3, 276 VErIfIcA dEgLI ObIEttIVI dI UNItÀ, 279 VErIfIcA dEgLI ObIEttIVI dI MOdULO, 280 E2.4 Efcienza, efcacia, economicità, 318 Riproduzione di documenti e disegni, 311 Archiviazione di documenti, 313 Archivi elettronici, 314 Custodia e difesa degli archivi, 315 Tecniche di consultazione, 316 Tecniche di ricerca di informazioni nel web, 317 Efcienza, 318 Efcacia, 319 Economicità, 319 EsErcItAzIONI gUIdAtE E2.1 - E2.3, 320 VErIfIcA dEgLI ObIEttIVI dI UNItÀ, 323 modulo E AzIENdA E sUA dIMENsIONE OrgANIzzAtIVA ................................................................................................. 281 unità E3 Normativa e qualità .............................................................. 324 VErIfIcA dEI prErEqUIsItI, 282 E3.1 Normativa ISO, UNI EN, 324 unità E1 Organizzazione dell’impresa ................................... 283 E1.1 L’organizzazione industriale, 283 Evoluzione storica, 283 I primi modelli organizzativi, 284 I modelli organizzativi successivi, 285 E1.2 Forme giuridiche dell’impresa, 285 Impresa individuale, 286 Società, 286 Le cooperative, 287 E1.3 Strutture organizzative dell’azienda, 287 E1.4 Le funzioni aziendali, 289 Ricerca e sviluppo, 289 Produzione e Qualità, 289 Logistica, 290 Marketing, 290 Vendite, 290 Amministrazione e fnanza, 290 Personale e Organizzazione, 291 Sistemi informativi, 291 Relazioni esterne, 291 E1.5 La prototipazione rapida, 291 Defnizione, 291 Le tecniche di prototipazione, 292 Conclusioni, 294 Brevi cenni storici, 324 Scopo della normativa, 324 Principali enti di normazione, 326 Codifca delle norme, 328 Valutazione della conformità alle norme, 329 E3.2 La qualità, 329 Evoluzione del concetto di qualità, 329 Signifcato del termine “qualità” negli ultimi sessant’anni, 331 Principi di gestione per la qualità, 332 La formalizzazione della qualità, 333 Defnizioni della qualità, 333 Gestione per la qualità, 337 Politica per la qualità, 338 Pianifcazione della qualità, 338 Assicurazione della qualità, 340 Documentazione del Sistema Gestionale per la Qualità, 340 E3.3 Strumenti di miglioramento e controllo della qualità, 341 Strumenti di miglioramento della qualità, 341 Strumenti di controllo della qualità, 346 EsErcItAzIONI gUIdAtE E3.1 - E3.3, 352 VErIfIcA dEgLI ObIEttIVI dI UNItÀ, 355 VErIfIcA dEgLI ObIEttIVI dI MOdULO, 356 prEsENtAzIONE L’opera costituisce un corso completo della materia Laboratori tecnologici ed esercitazioni per gli Istituti Professionali settore Industria e Artigianato; il primo volume è rivolto in particolare al primo biennio. Il testo, articolato in cinque moduli, è nato con l’obiettivo di introdurre alla cultura della tecnologia, che verrà poi sviluppata nel secondo biennio e nel quinto anno, e di fornire un approccio al mondo della produzione attraverso lo studio dei materiali, degli strumenti di misura, dei processi produttivi e dell’organizzazione industriale. I contenuti e l’articolazione sono stati impostati e scelti in modo da rispettare l’acquisizione delle competenze previste dai nuovi programmi ministeriali. I cinque moduli, strutturati ognuno in unità didattiche, sono stati progettati e realizzati in modo da consentire un loro uso sia sequenziale, sia indipendente, permettendo la scelta di percorsi didattici alternativi. I MOdULI Ogni modulo si apre con l’indicazione delle unità didattiche che lo compongono, dei prerequisiti necessari all’apprendimento degli obiettivi e, infne, degli strumenti didattici integrativi accessibili attraverso l’area digitale dell’eBook+. Propone a seguire una verifca dei prerequisiti, costituita da una serie di prove strutturate, fruibili in modo interattivo attraverso l’eBook+. Ciascun modulo si chiude con una verifca di modulo (a volte interattiva) che ha lo scopo di testare l’acquisizione di competenze specifche, attraverso l’applicazione ragionata di quanto appreso. LE UNItÀ dIdAttIchE Ogni unità si apre con la pianifcazione didattica di obiettivi e contenuti. La trattazione, semplice e funzionale, è ricca di riferimenti a contesti reali, con l’obiettivo di fare emergere nello studente interessi e attitudini specifche. Ciascuna unità presenta diverse esercitazioni guidate, fornite di possibili procedure risolutive e di fonti di consultazione, collegate a esperienze applicative. Alla fne di ogni unità è collocata una verifca di unità, consistente in una serie di domande vero/falso, a scelta singola e multipla, totalmente interattiva nell’eBook+, che consente all’alunno l’autovalutazione delle conoscenze acquisite. LE EsErcItAzIONI gUIdAtE Le esercitazioni guidate consentono all’allievo di acquisire e consolidare le abilità di base, attraverso esperienze ibride di tipo analitico e applicativo. Le attività applicative conducono spesso alla realizzazione materiale di un prodotto in laboratorio. La struttura delle esercitazioni guidate include una sequenza di comandi, che assistono lo studente sia nello svolgimento teorico sia nella successiva realizzazione pratica, favorendone il coinvolgimento. I cONtENUtI Nel modulo A, Materiali di interesse industriale, sono presi in esame gli elementi di base dei materiali metallici ferrosi e dei materiali non ferrosi. Per quanto riguarda i materiali ferrosi, vengono trattati le proprietà dei materiali, il ferro e le sue leghe, le ghise, gli acciai e i trattamenti termici. Relativamente ai materiali non ferrosi, vengono trattati il legno, le resine, le materie plastiche, le gomme e i materiali compositi. Si propongono, inoltre, elementi di base relativi all’uso dei materiali nelle tecnologie elettriche ed elettroniche e nell’edilizia e approfondimenti sulle materie plastiche. Il modulo B, Misurazione e controllo, afronta nella prima unità le basi della metrologia, gli errori di misurazione, gli strumenti campione e gli strumenti di misura della lunghezza. Nella seconda unità vengono presentati gli strumenti e le macchine speciali di misura, le prove meccaniche sui materiali metallici e il testing sulle materie plastiche. La terza unità tratta i concetti di grandezza elettrica, gli strumenti di misura per grandezze elettriche, gli amperometri, i galvanometri e le metodologie per efettuare le misurazioni sui dispositivi passivi lineari. Nel modulo C, Processi caratteristici delle tecnologie, vengono trattate nella prima unità le lavorazioni dei materiali. In particolare, si afrontano le lavorazioni al banco e lo studio delle macchine utensili, le lavorazioni per deformazione plastica, le saldature, i collegamenti ed elementi di Controllo Numerico e di robotica. La seconda unità illustra l’evoluzione del settore elettrico ripercorrendo cronologicamente le tappe fondamentali che hanno portato all’impiego dell’elettronica nell’automazione, propone cenni sulla produzione dell’elettricità, sulle macchine elettriche e sugli impianti civili e industriali, infne presenta le principali fgure professionali che operano nell’ambito dell’elettrotecnica e dell’elettronica. Il modulo D, Sicurezza e salute, introduce gli elementi di antinfortunistica e presenta la legislazione relativa alla sicurezza. In particolare, nella prima unità si trattano salute, sicurezza, ergonomia, elementi di primo soccorso, barriere architettoniche e informazioni sulla pianifcazione del territorio. Nella seconda unità si afrontano elementi di legislazione antinfortunistica, sicurezza negli ambienti di lavoro, rischio elettrico, pericolo incendio, rischio chimico e viene presentato anche il DLgs 81/2008. Il modulo E, Azienda e sua dimensione organizzativa, presenta gli elementi di base dell’organizzazione industriale. Nella prima unità, infatti, si forniscono cenni storici di organizzazione, le forme giuridiche dell’impresa, le strutture organizzative dell’azienda, le funzioni aziendali, la prototipazione rapida, la Reverse Engineering, il marketing e i contratti di compravendita e di garanzia. Nella seconda unità si afrontano le problematiche relative al fusso delle informazioni, ai sistemi di riproduzione e archiviazione, alle tecniche di consultazione e ricerca e alle nozioni di efcienza, efcacia ed economicità. La terza unità tratta la normativa ISO, UNI EN, la qualità e gli strumenti di miglioramento e controllo della qualità. EBOOK+ Apposite icone segnalano nell’eBook+ le risorse digitali integrative: verifche interattive dei prerequisiti di modulo e di fne unità, fruibili anche attraverso l’eBook+; ulteriori esercitazioni guidate, oltre a quelle presenti nel testo. RisORsE OnlinE hoepliscuola.it Sul sito www.hoepliscuola.it sono presenti: – ulteriori esercitazioni guidate scaricabili anche attraverso l’eBook+; – a uso del docente, tutte le soluzioni (se univoche) delle esercitazioni guidate fornite nel volume e online, nonché delle verifche. Luigi Caligaris Stefano Fava Carlo Tomasello Materiali di interesse modulo A industriale unità A1 Caratteristiche dei materiali e leghe del ferro unità A2 materiali speciali e loro utilizzo PrereQuisiti Conoscenze • I simboli chimici dei principali elementi • La tecnica di rappresentazione a blocchi Abilità AReAdigitale eserCitAZioni guidAte Caratteristiche meccaniche, materiali e trattamenti termici di tre utensili scelta dei materiali per albero motore ricerca dei materiali da costruzione degli oggetti contenuti in un’aula ricerca dei materiali da costruzione dei componenti di una bicicletta ricerca dei materiali da costruzione degli oggetti contenuti in una cucina verifiChe interAttive • • • • Interpretare formule chimiche Descrivere le differenze principali tra metalli e non metalli Interpretare reazioni chimiche Descrivere le reazioni di ossidazione obiettivi Conoscenze • I fondamenti della struttura della materia • Le proprietà dei materiali Abilità • Riconoscere i principali materiali di interesse industriale • Descrivere le principali caratteristiche dei materiali metallici e non metallici in relazione alle tipologie di impiego Competenza di riferimento • I ndividuare le proprietà dei materiali, i relativi impieghi, i processi produttivi e i trattamenti 2 verifiCA dei PrereQuisiti / modulo A AReAdigitale Vero/Falso 1. Il numero atomico corrisponde al numero di proto- 9. Assegnare a ogni elemento il relativo simbolo chimico. ni contenuto nel nucleo di un atomo. Vero Falso a. b. c. d. e. f. 2. Il numero di massa atomica si ottiene sommando il numero di protoni e il numero di elettroni contenuti nell’atomo. Vero Falso 3. Il carbonio è un metallo. Vero Falso 4. La molecola è neutra elettricamente. Vero Falso 5. Una reazione endotermica avviene con emissione di calore. Vero Falso Scelta singola/multipla 6. Indicare fra gli elementi proposti quelli metallici: PReReQUISITI a. b. c. d. e. sodio cadmio ferro azoto potassio 7. Nella rappresentazione a blocchi quale forma ha la casella che indica la scelta fra due possibili percorsi? a. Ellisse b. Parallelogramma c. Rombo d. Rettangolo Completamento 8. Assegnare a ogni simbolo il relativo elemento chi- mico. a. b. c. d. e. f. H ........................................................................................................................................... Li ........................................................................................................................................... K ............................................................................................................................................ Al .......................................................................................................................................... Cu ........................................................................................................................................ Hg ....................................................................................................................................... Ferro ................................................................................................................................. Elio ...................................................................................................................................... Argento ........................................................................................................................ Potassio ........................................................................................................................ Azoto ............................................................................................................................... Piombo ......................................................................................................................... 10. Indicare il nome dei seguenti composti chimici. a. b. c. d. e. f. FeO .................................................................................................................................... NaCl .................................................................................................................................. CO2 ..................................................................................................................................... H2SO4 .............................................................................................................................. HgCl .................................................................................................................................. NaHSO4 ......................................................................................................................... 11. Il nucleo atomico è composto da ................................................... e da ...................................................................... 12. I due principali componenti dell’atmosfera sono l’...................................................................... e l’...................................................................... 13. La radioattività è il fenomeno per cui alcuni nuclei, non stabili, si trasformano in altri con l’................................................... di particelle e ...................................................................... ionizzanti 14. I raggi alfa sono costituiti da una ...................................................... corpuscolare altamente ionizzante che consiste di due ...................................................................... e due ...................................................................... 15. Il termine ossidazione indica la ........................................................... diretta di un elemento o di un composto con l’........................ .............................................. 3 CArAtteristiChe dei mAteriAli e leghe del ferro obiettivi A1.1 I materIalI: generalItÀ La conoscenza delle caratteristiche dei materiali d’uso più comune rende possibile la loro applicazione nelle diverse costruzioni, in modo corretto ed economico. La tecnologia è la scienza che studia i materiali, la composizione, le caratteristiche, le lavorazioni necessarie per le trasformazioni e il loro impiego. I materiali, dal punto di vista della composizione, si possono suddividere in tre grandi famiglie [fg. A1.1]: materiali naturali: sono quelli che vengono utilizzati così come si trovano in natura (pietre, sabbia, legno, lana ecc.); materiali naturali modifcati: sono quelli che conservano inalterata la loro composizione interna ma sono parzialmente trasformati dall’uomo nella forma e nelle caratteristiche (legno compensato, pelle conciata, tessuto, benzina, rame ecc.); materiali artifciali: sono quelli la cui composizione è completamente nuova perché ottenuta attraverso particolari processi di trasformazione (cemento, carta, leghe metalliche, gomma, plastica, tessuti acrilici ecc.). Considerando, invece, le caratteristiche di comportamento più appariscenti, si possono dividere i materiali in quattro categorie [fg. A1.2]: metalli: sono solidi a temperatura ambiente (eccetto il mercurio), buoni conduttori di calore e di elettricità, lucenti, opachi alla luce, deformabili, resistenti a sollecitazioni esterne; per esempio: ferro, argento, oro, nichel, cromo, cobalto, zinco, piombo ecc.; COMPOSIZIONE DEI MATERIALI NATURALI Esistenti in natura NATURALI MODIFICATI Parzialmente modifcati ARTIFICIALI Completamente nuovi A1.1 Suddivisione dei materiali in base alla loro composizione. unitàA1 Conoscenze Le principali proprietà dei materiali Le fasi fondamentali del processo siderurgico Abilità Descrivere le caratteristiche chimiche e tecnologiche dei principali materiali Descrivere le fasi fondamentali del processo siderurgico Riconoscere i principali trattamenti termici e i loro effetti Contenuti A1.1 I materiali: generalità A1.2 Proprietà dei materiali A1.3 Ferro e sue leghe A1.4 La ghisa A1.5 L’acciaio A1.6 Trattamenti termici delle leghe del ferro 4 materiali di interesse industriale modulo A non metalli: sono generalmente di struttura amorfa o gassosa, cattivi conduttori di calore ed elettricità, poco resistenti a sollecitazioni esterne; per esempio: zolfo, fosforo, azoto, ossigeno ecc.; leghe: sono ottenute mediante l’unione di più elementi; esse presentano delle caratteristiche migliori degli elementi di partenza; per esempio: ottone (rame e zinco), bronzo (rame e stagno), acciaio (ferro e carbonio) ecc.; miscugli: sono costituiti dalla miscela di più elementi ciascuno dei quali conserva le caratteristiche originali; per esempio: granito (minerali, sabbia e legante), calcestruzzo (cemento, sabbia, ghiaia ecc.). METALLI NON METALLI COMPORTAMENTO DEI MATERIALI A1.2 Suddivisione dei materiali in base alle caratteristiche di comportamento. LEGHE MISCUGLI Nella scelta del materiale da utilizzare per costruire un oggetto occorre considerare i seguenti fattori: proprietà: sono caratteristiche di ogni materiale e devono garantire la funzionalità dell’oggetto; trasformazioni: servono a soddisfare le esigenze imposte dal progetto; costo: deve essere in rapporto al valore del prodotto fnito. Il costo di mercato del materiale incide sempre di meno nella determinazione del valore del prodotto fnito, essendo elevato il costo della manodopera e delle attrezzature quasi sempre automatizzate (valore aggiunto). A1.2 ProPrIetÀ deI materIalI Tutti i materiali hanno delle proprietà caratteristiche che li diferenziano notevolmente. La conoscenza di queste ultime consente di utilizzare il materiale più idoneo a ogni specifca applicazione. Le proprietà dei materiali possono essere così classifcate [fg. A1.3]: chimiche: riguardano la composizione chimica del materiale e la sua struttura interna; fsiche: esprimono le caratteristiche legate alla natura stessa del materiale e al suo comportamento in relazione agli agenti esterni, quali il calore, la gravità, l’elettricità; meccaniche: si riferiscono alla capacità del materiale di resistere alle sollecitazioni (insieme dei carichi esterni) a cui viene sottoposto durante il suo impiego, come pressione, trazione, fessione, compressione, urti e taglio; tecnologiche: rappresentano l’attitudine del materiale a essere trasformato mediante lavorazione. Proprietà fsiche temperatura di fusione (tf) Si defnisce temperatura di fusione (tf) la temperatura alla quale, per un determinato materiale, si verifca il passaggio dallo stato solido a quello liquido. In base a questa caratteristica i materiali si dividono nelle seguenti categorie: refrattari: sono quelli per i quali la temperatura di fusione risulta superiore a 2000 °C; per esempio: leghe metalliche speciali, ceramiche, refrattari silicoalluminati, refrattari magnesiaci ecc.; normali: materiali con temperatura di fusione compresa fra 500 e 2000 °C; per esempio: ferro, ghisa, acciaio, rame, alluminio ecc.; basso fondenti: materiali con temperatura di fusione inferiore a 500 °C; per esempio: piombo, stagno ecc. Nella tabella A1.1 sono riportate le temperature di fusione, alla pressione atmosferica, dei principali materiali. massa volumica (Mv) Si defnisce massa volumica (Mv) il rapporto fra la massa di un corpo, espressa in kg, e il suo volume espresso in m3. Mv = massa kg = volume m3 Prima dell’introduzione del Sistema Internazionale di misura (SI), la massa volumica (Mv) veniva chiamata peso specifco. Nella pratica di laboratorio spesso si utilizza la massa volumica espressa in kg/dm3 = 10– 3 kg/m3. La tabella A1.2 riporta il valore della massa volumica dei principali materiali. Sono chiamate leghe leggere quelle a base di alluminio con massa volumica inferiore a 4000 kg/m3 e leghe ultraleggere quelle a base di magnesio con massa volumica inferiore a 2000 kg/m3. 5 unità A1 Caratteristiche dei materiali e leghe del ferro CHIMICHE – Ossidazione – Corrosione FISICHE – Temperatura di fusione – Massa volumica – Capacità termica massica – Dilatazione termica PROPRIETÀ DEI MATERIALI – Resistenza alla deformazione – Resilienza – Resistenza a fatica – Durezza – Resistenza all'usura MECCANICHE – Fusibilità, saldabilità – Truciolabilità, plasticità – Malleabilità, duttilità – Estrudibilità, imbutibilità – Piegabilità ecc. TECNOLOGICHE A1.3 Proprietà caratteristiche dei materiali. TAbellA A1.1 Temperatura di fusione tf dei principali materiali Materiale Acciaio tf [°C] Materiale tf [°C] Materiale tf [°C] ~1500 Ghisa ~1300 Piombo 327 Alluminio 658 Ferro 1535 Platino 1772 Antimonio 630 Magnesio 651 Rame 1083 Argento 960 Mercurio –38,87 Silicio 1420 Bronzo ~950 Nichel 1455 Stagno 232 Carbonio >1600 Oro 1063 Tungsteno Ottone ~900 Zinco Cromo 1800 3380 419,4 TAbellA A1.2 Massa volumica Mv [kg/m3] dei principali materiali Mv Materiale Mv Acciaio 7850 Gomma dura 1200 Piombo 11.340 Alluminio 2700 Laterizi comuni 2000 Platino 21.400 Argento 8500 Legno di abete 450 Rame commerciale 8900 Bachelite 1300 Legno di pino 545 Sabbia secca 1500 Bronzo 8000 Legno di quercia 850 Stagno 7280 Calcestruzzo armato 2400 Magnesio 1750 Terreno secco 2580 600 Mercurio 13.590 Titanio 4500 Materiale Carbone coke Ceramica 2400 Nichel Ferro 7860 Oro Ghisa 7250 Ottone 8800 Materiale Tungsteno Mv 19.300 19.250 Vetro 2400 8500 Zinco 7100 6 materiali di interesse industriale modulo A Si defnisce capacità termica massica (Ctm), a volte detta anche calore specifco (Cs), la quantità di calore, espressa in J, necessaria per innalzare di 1 °C la massa di 1 kg di sostanza. Ctm = calore J = intervallo di temperatura . massa °C . kg Il valore della capacità termica massica varia in funzione della temperatura. Nella tabella A1.3 sono riportati i valori medi, nell’intervallo di temperatura da 0 a 100 °C, per i principali materiali. dilatazione termica (α) li (Lunghezza iniziale a temperatura ti) lf (Lunghezza fnale a temperatura tf) A1.4 Dilatazione termica lineare dei materiali. Si defnisce coefciente di dilatazione lineare (α) l’incremento di lunghezza che subisce il materiale (lf – li) rapportato alla lunghezza iniziale (li) e all’aumento di temperatura (tf – ti): Si defnisce dilatazione termica (α) l’attitudine dei materiali di variare il proprio volume al cambiare della temperatura. Nel caso di solidi con una dimensione prevalente sulle altre (fli, barre ecc.), la dilatazione più signifcativa è quella che si verifca lungo l’asse più lungo e viene detta dilatazione lineare [fg. A1.4]. lf _ li (Allungamento) Barretta Capacità termica massica (Ctm) α= lf – li m 1 = = li (tf – ti ) m · °C °C Nella tabella A1.4 sono riportati i valori medi dei coefcienti di dilatazione lineare dei principali materiali, calcolati nell’intervallo di temperatura tra 0 e 100 °C. TAbellA A1.3 Capacità termica massica Ctm [J/°C · kg] dei principali materiali Materiale Ctm Acciaio 519 Acqua 4186 Materiale Ctm Materiale Ctm Carbonio graftico 1176 Ottone 377 Ghisa grigia 540 Piombo 134 Alluminio 938 Ferro 532 Rame 383 Argento 233 Nichel 515 Stagno 226 Bronzo 352 Oro 131 Zinco 385 TAbellA A1.4 Coefcienti medi di dilatazione lineare α in un 1/°C nell’intervallo 0 ÷ 100 °C Materiale α ∙ 103 Materiale α ∙ 103 Materiale α ∙ 103 Acciaio 0,0120 Ferro 0,0123 Platino 0,0090 Alluminio 0,0237 Ghisa 0,0090 Rame 0,0166 Argento 0,0189 Manganese 0,0230 Stagno 0,0270 Cemento Portland 0,0140 Nichel 0,0130 Tungsteno 0,0043 Cromo 0,0080 Oro 0,0142 Vetro di quarzo 0,0005 Bronzo - Ottone 0,0180 Piombo 0,0290 Zinco 0,0270 7 unità A1 Caratteristiche dei materiali e leghe del ferro tempo e con frequenza elevata; per esempio: forze applicate alla biella del motore a scoppio [fg. A1.5c]. La capacità di resistere alle forze periodiche è detta resistenza a fatica. Forze concentrate: sono applicate in zone ristrette o puntiformi; per esempio: scalpellatura, punzonatura [fg. A1.5d]. La capacità dei materiali di contrastare gli efetti delle forze concentrate si chiama durezza. Forze di attrito: si manifestano tra le superfci di contatto di due corpi mobili, fra loro striscianti (attrito radente, fg. A1.5e) o rotolanti (attrito volvente, fg. A1.5f); per esempio: pattini a coltello, cuscinetto a sfere. La capacità dei materiali di contrastare le forze di attrito si chiama resistenza all’usura. Proprietà meccaniche Le proprietà meccaniche esprimono la capacità di un materiale di resistere alle azioni provocate dalle forze esterne che tendono a deformarlo. La capacità di contrasto che ofre il materiale costituisce la sua caratteristica meccanica e può cambiare in funzione della forza applicata. Si elencano, ora, i diversi tipi di forze [fg. A1.5] per poter defnire le corrispondenti caratteristiche meccaniche. Forze statiche: sono applicate in modo costante o variano lentamente nel tempo; per esempio: forze applicate a funi, a macchine di sollevamento [fg. A1.5a]. La capacità dei materiali di contrastare gli efetti delle forze statiche è detta resistenza alla deformazione. Forze dinamiche: sono applicate in tempi brevi (< 0,1 secondi, forze d’urto); per esempio: martellatura all’incudine, lavorazione al maglio [fg. A1.5b]. La capacità dei materiali di contrastare gli efetti delle forze dinamiche è detta resilienza. Forze periodiche: sono variabili periodicamente con un andamento che si ripete costantemente nel Le forze statiche applicate dall’esterno ai corpi si chiamano carichi e generano, nel loro interno, un insieme di sollecitazioni che tendono a deformarli. Prendendo, per esempio, in considerazione un albero (solido cilindrico di forma allungata) si possono considerare i diversi tipi di sollecitazione generati dalle forze esterne applicate. La fgura A1.6 riporta la rappresentazione schematica dei tipi di sollecitazioni che di seguito si descrivono. Forza statica Forza dinamica Forza periodica (a) (b) (c) V V Forza concentrata Forza di attrito radente Forza di attrito volvente (d) (e) (f ) A1.5 Diversi tipi di forze applicate ai corpi. 8 trazione Le forze, applicate esternamente, sono dirette lungo l’asse del corpo e tendono ad allungarlo [fg. A1.6a]. materiali di interesse industriale modulo A una forma per ottenere un getto di fusione [fg. A1.7]. Questa proprietà risulta infuenzata dal punto di fusione, dalla fu- idità del materiale allo stato liquido, dall’assenza di difetti dei getti (porosità, sofature ecc.). Sono fusibili le ghise, i bronzi, gli ottoni e le leghe. Compressione Le forze, applicate esternamente, sono dirette lungo l’asse del corpo e tendono ad accorciarlo [fg. A1.6b]. Le sollecitazioni di trazione e compressione sono dette anche sollecitazioni assiali. Flessione Le forze esterne agiscono su un piano perpendicolare all’asse principale e tendono a fettere il corpo, cioè a piegarlo [fg. A1.6c]. (a) Trazione (b) (c) Compressione Flessione torsione Le forze esterne agiscono su un piano perpendicolare all’asse del corpo e tendono a torcerlo, cioè a fare ruotare reciprocamente le diverse sezioni dell’albero facendolo torcere [fg. A1.6d]. taglio Le forze esterne applicate agiscono in direzione perpendicolare all’asse principale e tendono a recidere due sezioni trasversali adiacenti del corpo [fg. A1.6e]. A questa azione si oppone la durezza del materiale. Proprietà tecnologiche Le proprietà tecnologiche defniscono l’attitudine dei materiali a essere trasformati mediante lavorazioni. (d) Torsione Taglio A1.6 Diversi tipi di sollecitazioni generate da forze esterne. Siviera Pezzo di fusione Le più importanti, riportate nelle fgure A1.7÷A1.14, sono: fusibilità, saldabilità, truciolabilità, plasticità, malleabilità, duttilità, estrudibilità, imbutibilità e piegabilità. Fusibilità È l’attitudine di un materiale a essere colato allo stato liquido dentro (e) A1.7 Proprietà tecnologica della fusibilità. Materiale fuso Forma unità A1 Caratteristiche dei materiali e leghe del ferro 9 Saldabilità È l’attitudine di un materiale a unirsi facilmente con un altro, di uguale o diversa natura, tramite fusione e/o aggiunta di materiale d’apporto [fg. A1.8]. Un materiale risulta saldabile quando garantisce una giunzione resistente, compatta e inalterabile. Sono saldabili il ferro, gli acciai dolci e le leghe metalliche in genere. Plasticità È la proprietà che manifestano alcuni materiali di deformarsi permanentemente, senza screpolarsi o rompersi, sotto l’azione di forze esterne. A seconda dei sistemi di deformazione e della forma fnale ottenuta, si distinguono le successive proprietà tecnologiche. Cannello Cordone di saldatura Materiale d’apporto malleabilità È l’attitudine di un materiale a lasciarsi ridurre, a caldo o a freddo, in lamine, senza screpolarsi o rompersi, mediante l’azione di presse, magli o laminatoi [fg. A1.10]. Sono malleabili i materiali che possono subire un buon allungamento, che presentano una bassa durezza e limitata resistenza a trazione. L’operazione che sfrutta questa proprietà si chiama laminazione e i prodotti ottenuti si dicono laminati. Cilindro del laminatoio A1.8 Pezzi da saldare Proprietà tecnologica della saldabilità. truciolabilità È l’attitudine di un materiale a subire lavorazioni con asportazione di truciolo, mediante l’utilizzo di utensili montati su opportuna macchina (utensili per tornio, frese, punte elicoidali ecc., fg. A1.9). Risultano truciolabili le ghise, gli acciai al piombo (acciai automatici), i bronzi, l’alluminio e le sue leghe (leggere), il magnesio e le sue leghe (ultraleggere). Utensile fresa Trucioli Laminato A1.10 Proprietà tecnologica della malleabilità. duttilità È l’attitudine di un materiale a lasciarsi ridurre in fli senza rompersi se costretto a passare (per trazione) attraverso un foro di forma e dimensione opportune [fg. A1.11]. Matrice Pezzo da fresare A1.9 Proprietà tecnologica della truciolabilità. Traflato A1.11 Proprietà tecnologica della duttilità. 10 materiali di interesse industriale modulo A Sono duttili l’acciaio dolce, l’argento, l’oro, l’alluminio, il rame, le leghe speciali di acciaio al nichel-cromo e al magnesio. L’operazione che sfrutta questa proprietà si chiama traflatura e i prodotti ottenuti traflati. Forza di spinta della pressa Premilamiera Punzone Lamiera piana estrudibilità È l’attitudine di un materiale ad assumere forme determinate se costretto a passare (per spinta) attraverso un foro sagomato [fg. A1.12]. Sono estrudibili gli acciai dolci e le leghe leggere. L’operazione che sfrutta questa proprietà è detta estrusione e i prodotti ottenuti estrusi (per esempio, i proflati di alluminio). Imbutibilità È l’attitudine di un materiale a lasciarsi deformare a freddo, ottenendo corpi cavi, senza rompersi o screpolarsi [fg. A1.13]. Sono imbutibili gli acciai extradolci, il rame, l’ottone, l’alluminio. L’operazione che sfrutta questa proprietà si chiama imbutitura e i prodotti ottenuti stampati (per esempio, la carrozzeria dell’auto). Stampo Lamiera imbutita A1.13 Proprietà tecnologica della imbutibilità. S α D R R D + 3S Piegabilità È l’attitudine di alcuni materiali a subire l’operazione di piegatura senza rompersi o screpolarsi [fg. A1.14]. Sono facilmente piegabili gli acciai dolci e, in generale, tutti i materiali malleabili. R = 25 mm per S≤12 mm R = 50 mm per S>12 mm Piegatura a 180° con lembi distanziati A1.14 Proprietà tecnologica della piegabilità. Forza di spinta della pressa A1.3 Ferro e Sue leghe Punzone Materiale Estruso Matrice A1.12 Proprietà tecnologica della estrudibilità. Il ferro è un elemento metallico con simbolo chimico Fe, temperatura di fusione 1535 °C, duttile, malleabile, magnetizzabile, che si ossida facilmente (formazione di ossido di ferro, detto comunemente ruggine). Per la sua duttilità, il ferro era utilizzato a scopi decorativi e per la produzione di armi fn dalla preistoria. È disponibile in natura sotto forma di minerali costituendo il quarto elemento, in ordine di abbondanza, sulla superfcie terrestre, dopo l’ossigeno, il silicio e l’alluminio. Piccole quantità di composti di ferro sono presenti nelle acque, nelle piante e in quasi tutti gli alimenti. Il ferro, sotto forma di composto, viene somministrato come medicinale tonico e nel trattamento dell’anemia, quando la quantità di emoglobina o il numero di globuli rossi nel sangue sono inferiori alla norma. unità A1 Caratteristiche dei materiali e leghe del ferro 11 Attualmente è utilizzato allo stato quasi puro per la produzione della lamiera zincata e di elettromagneti. Più frequentemente lo si trova sul mercato sotto forma di leghe ferro-carbonio che vengono defnite in funzione della percentuale di carbonio presente e più precisamente [fg. A1.15]: Le fasi che costituiscono il processo siderurgico con il quale si ricava il ferro e le sue leghe sono le seguenti [fg. A1.16]: – meno di 0,008% ferro (acciaio extradolce); – da 0,008 a 0,1% acciaio dolce; – da 0,1 a 2% acciaio; – da 2 a 6,67% ghisa. preparazione: consiste nel preparare in modo adeguato le materie prime che sono: i minerali di ferro, il carbon fossile (coke) e il calcare, usato come fondente; trasformazione: viene efettuata nell’altoforno, grande forno verticale dove, dalle materie prime, si ottiene la ghisa di prima fusione (ghisa madre); afnazione: avviene nei convertitori, forni che consentono di ottenere l’acciaio dalla ghisa di prima fusione; laminazione: viene eseguita con un complesso di macchinari, detti laminatoi, che consentono di ottenere, mediante deformazione plastica a caldo, i semilavorati (billette, blumi, barre proflate di diversa forma). Si chiama siderurgia il settore della metallurgia che studia i minerali da cui si ricava il ferro, le sue combinazioni con il carbonio e i processi tecnologici per la produzione delle leghe ferro-carbonio: ghisa e acciaio. FERRO (Acciaio extradolce) <0,008% di C ACCIAIO DOLCE da 0,008 a 0,1% di C LEGHE FERRO-CARBONIO ACCIAIO da 0,1 a 2% di C GHISA da 2 a 6,67% di C A1.15 Leghe ferro-carbonio in funzione della percentuale di presenza deI carbonio nel ferro. del processo siderurgico. Lana di loppa Cementi d’altoforno Acciaio Barre Lingotti Lamiere Proflati Utilizzazione Ghisa di prima fusione Laminatoio Scorie A1.16 Fasi principali Fusioni in ghisa Ghisa di seconda fusione Colata: – continua – in lingottiera ALTOFORNO Cubilotto Materie prime: – minerali di ferro – coke – fondente – aria Rottami di acciaio Convertitori Fumi Aria calda Scambiatori di calore (Cowper) Riscaldamento e centrale elettrica 12 materiali di interesse industriale modulo A materie prime I minerali da cui si estrae il ferro sono: magnetite: ossido di ferro (FeO · Fe2O3) di colore grigio-ferro, aspetto metallico, ferromagnetico; ematite: ossido di ferro (Fe2O3), di colore grigionero o rossastro, lamellare o granulare, fragile; limonite: idrossido di ferro (2Fe2O3 · 3H2O), di colore giallo-limone tendente al bruno, fbroso, terroso, opaco; siderite: carbonato di ferro (FeCO3), di colore giallognolo o bruno, lucente, vitreo; pirite: solfuro di ferro (FeS2), di colore giallo-ottone, lucente, fragile. altoforno L’altoforno è un grosso forno verticale di altezza pari a 35 ÷ 40 m e di diametro massimo di 10 ÷ 14 m, sorretto da una robusta incastellatura metallica (mantello) che sostiene una muratura in mattoni refrattari. Con esso si possono produrre, mediamente, tra le 2000 e le 4500 tonnellate di ghisa al giorno. Le parti fondamentali dell’altoforno sono [fg. A1.17]: bocca: costituita dai dispositivi di caricamento, apertura, chiusura, raccolta e convogliamento dei fumi; Funzionamento dell’altoforno Le materie prime opportunamente preparate (pellettizzazione) vengono caricate dalla bocca dove cominciano a riscaldarsi fno a raggiungere la temperatura di 400 °C, eliminando l’umidità dei materiali (essiccamento, fg. A1.17, zona 1). La carica solida, nel suo cammino di discesa verso il basso, incontra la corrente ascendente dei gas ottenuti dall’aria compressa preriscaldata introdotta dagli ugelli ad alta velocità. L’ossigeno contenuto nell’aria, infatti, reagisce con il carbone (C) generando ossido di carbonio (CO), anidride carbonica (CO2) e sviluppando calore. Nel tino il minerale di ferro (per esempio, l’ematite Fe2O3) comincia a reagire con l’ossido di carbonio riscaldandosi fno a raggiungere la temperatura di 800 °C. Fe2O3 + 3CO ↔ 2Fe + 3CO2 + calore Questa reazione si chiama di riduzione indiretta (fg. A1.17, zona 2) perché non ottenuta dal carbonio ma dall’ossido di carbonio. Proseguendo nella sua discesa il minerale di ferro subisce una riduzione diretta (fg. A1.17, zona 3) combinandosi con il carbon coke. Fe2O3 + 3C ↔ 2Fe + 3CO + calore Questa reazione fornisce ancora calore portando i materiali alla temperatura di 1350 °C. tino: di forma tronco-conica divergente verso il basso per facilitare la discesa dei materiali e tenere conto della loro dilatazione; PARTI COSTITUENTI ventre: parte centrale dell’altoforno dove viene raggiunto il diametro massimo; sacca: costruita a forma troncoconica con sezione decrescente per compensare la diminuzione del volume di materiale che comincia a fondere e a precipitare sotto forma di grossi goccioloni liquidi. Nella parte inferiore sono disposti gli ugelli dai quali viene insufata l’aria calda necessaria alla combustione; crogiolo: di forma cilindrica, serve a raccogliere la ghisa fusa; nella parte superiore viene praticato un foro per lo scarico delle scorie e nella parte inferiore un altro per la colata della ghisa. ZONE FENOMENI CARATTERISTICI Tramoggia Campana piccola Raccolta fumi Campana grande Caricamento 1 Apertura/chiusura bocca di caricamento Essiccamento e preriscaldamento 2 Riduzione indiretta 3 Riduzione diretta 1350 °C 4 Carburazione Fusione 1600 °C 1800 °C 5 Immissione aria calda Combustione 6 Eliminazione delle scorie Colata della ghisa Bocca 400 °C Tino 800 °C Ventre Sacca Vento caldo Uscita scorie Crogiolo Uscita ghisa A1.17 Disegno schematico di un altoforno in sezione: parti fondamentali, temperature e fenomeni. 13 unità A1 Caratteristiche dei materiali e leghe del ferro Nella zona 4 il minerale di ferro, a causa delle riduzioni subite nelle due zone sovrastanti (2 e 3), raggiunge una struttura spugnosa che favorisce l’assorbimento di carbonio trasformandosi in ghisa. La temperatura continua a salire fno a provocare la fusione del minerale con la formazione delle prime scorie. La reazione chimica è la seguente: 3Fe + 2CO ↔ Fe3C + CO2 Successivamente, nella zona 5, viene immessa dagli ugelli aria calda che completa la combustione del coke innalzando la temperatura fno a 1800 °C. Il metallo fuso precipita nel crogiolo separandosi dalle scorie che galleggiano perché più leggere (fg. A1.17, zona 6). I prodotti dell’altoforno I principali prodotti dell’altoforno [fg. A1.18] sono le scorie, il gas povero e la ghisa di prima fusione. Scorie Sono spillate dal crogiolo dell’altoforno attraverso il foro più alto. Esse contengono le parti solide non metalliche delle cariche introdotte nell’altoforno. Sono utilizzate per la costruzione di materiali coibenti, cementi, calce, mattonelle di rivestimento ecc. A1.4 la ghISa La ghisa viene spillata dal crogiolo dell’altoforno a una temperatura di circa 1500 °C e versata nei carri siluro (recipienti semoventi a forma di botte montati su carrelli) o nelle siviere (grosse brocche rivestite di refrattario), per il trasporto. Questa ghisa è detta anche di prima fusione o ghisa greggia. Essa non viene subito utilizzata, ma ulteriormente trasformata, con particolari processi di rifusione, in un forno più piccolo che si chiama cubilotto, con aggiunta di elementi che ne migliorano le caratteristiche, ottenendo la ghisa di seconda fusione detta semplicemente ghisa. La ghisa è una lega ferro-carbonio di colore grigio, punto di fusione intorno a 1200 °C, non malleabile, fragile, resistente alla corrosione e dotata di una buona fusibilità (scorrevolezza allo stato fuso). Proprio a causa della sua buona fusibilità, la ghisa viene largamente impiegata soprattutto nella fabbricazione di getti fusi per basamenti di macchine utensili, monoblocchi di motore [fg. A1.19] ecc. Gas povero Viene raccolto nella bocca dell’altoforno alla temperatura di circa 200 °C. È composto da gas ancora combustibili, come ossido di carbonio (25%), idrogeno (2%), metano (0,3%), oltre che da azoto e anidride carbonica. Viene utilizzato nella produzione di energia elettrica per il consumo interno dell’impianto e per riscaldare l’aria inviata agli ugelli dell’altoforno. A1.19 Monoblocco in ghisa di motore FIAT, 6 cilindri a V, ottenuto per fusione. Scorie PRODOTTI DELL’ALTOFORNO Gas povero Ghisa di prima fusione A1.18 I principali prodotti dell’altoforno. – Coibenti – Cementi – Mattonelle – Energia elettrica – Preriscaldamento aria degli ugelli – Getti fusi – Acciai 14 tipi di ghisa e loro designazione Le ghise vengono classifcate in funzione delle loro caratteristiche meccaniche. Di seguito sono elencati i principali tipi di ghisa. ghisa grigia (unI en 1561) Il carbonio è presente con una distribuzione uniforme sotto forma di grafte lamellare per cui, alla frattura, la ghisa si presenta grigia. È lavorabile alle macchine utensili, resistente alla compressione, fragile, di media durezza. È molto utilizzata per getti [fg. A1.20]. Esempi di designazione – EN-GJL-250 UNI EN 1561: ghisa grigia per getti con carico di rottura 250 N/mm2. – EN-GJL-HB235 UNI EN 1561: ghisa grigia per getti con durezza Brinell 235 HB. A1.20 Ghisa grigia (ingrandimento 200:1). ghisa bianca Il carbonio è presente sotto forma di carburo di ferro Fe3C (cementite). Questa ghisa ha struttura argentea, fragile, durissima e non risulta facilmente lavorabile. Viene utilizzata per pezzi duri, non soggetti a urti e per la produzione di ghise malleabili [fg. A1.21]. A1.21 Ghisa bianca (ingrandimento 250:1). materiali di interesse industriale modulo A ghisa malleabile (unI en 1562) Viene ottenuta dalla ghisa bianca con un prolungato riscaldamento a temperatura adeguata (trattamento detto ricottura). La ghisa malleabile presenta una discreta resistenza a trazione, è deformabile, ha una buona lavorabilità alle macchine utensili e una buona saldabilità. Esempi di designazione – W400-05 UNI EN 1562: ghisa malleabile bianca con carico di rottura 400 N/mm2 e allungamento 5%. – B320-12 UNI EN 1562: ghisa malleabile nera con carico di rottura 320 N/mm2 e allungamento 12%. – P500-05 UNI EN 1562: ghisa malleabile perlitica con carico di rottura 500 N/mm2 e allungamento 5%. ghisa sferoidale (unI en 1563) Viene ottenuta dalla ghisa ordinaria con l’aggiunta di magnesio e nichel che favoriscono la formazione di noduli di carbonio (sferoidi). La ghisa sferoidale possiede proprietà meccaniche e tecnologiche simili a quelle dell’acciaio pur conservando le caratteristiche di fusibilità, resistenza all’usura, alla corrosione e al calore tipiche della ghisa. Essa viene utilizzata in sostituzione dell’acciaio per pezzi fusi che devono garantire lavorabilità, resistenza, allungamento, resilienza e saldabilità [fg. A1.22]. Esempi di designazione – EN-GJS-400-15U UNI EN 1563: ghisa sferoidale con carico di rottura a trazione di 400 N/mm2 e allungamento minimo percentuale 15%. – EN-GJS-800-2U UNI EN 1563: ghisa sferoidale con carico di rottura a trazione di 800 N/mm2 e allungamento minimo percentuale 2%. A1.22 Ghisa sferoidale (ingrandimento 250:1). 15 unità A1 Caratteristiche dei materiali e leghe del ferro A1.5 l’aCCIaIo Convertitori Bessemer e thomas Convertitore a ossigeno L’acciaio è una lega ferro-carbonio con una percentuale di carbonio inferiore al 2% (nelle applicazioni industriali comuni la presenza del carbonio è variabile da 0,2 a 1%). Questi convertitori non sono praticamente più utilizzati. Erano costituiti da grossi recipienti di acciaio a forma di pera, rivestiti internamente di materiale resistente al calore (refrattario) e sostenuti da due perni centrali che ne permettevano la rotazione [fg. A1.24]. La carica di ghisa liquida era attraversata dall’aria insufata dagli ugelli praticati sul fondo del forno. L’ossigeno dell’aria reagiva con il carbonio contenuto nella ghisa formando anidride carbonica CO2, che si eliminava con i fumi, mentre la ghisa si trasformava in acciaio. L’acciaio ottenuto con i convertitori Bessemer e Tomas non era di grande qualità a causa della rapidità con la quale si compiva il procedimento di trasformazione della ghisa in acciaio. Questo convertitore risulta analogo ai precedenti con la diferenza che al posto dell’aria viene insuffato all’interno ossigeno a una pressione di 8 bar mediante apposita lancia introdotta nella bocca del convertitore [fg. A1.25]. Il getto di ossigeno è puro nel sistema L.D. (Linz e Donawitz) o misto a metano nel sistema O.B.M. (Oxygen Building Metan). In entrambi i casi la reazione con il carbonio è molto energica e produce un notevole innalzamento di temperatura (1600 ÷ 1800 °C). Esso viene ottenuto dalla ghisa dell’altoforno attraverso processi di sottrazione del carbonio (decarburazione o afnazione della ghisa) che si distinguono in [fg. A1.23]: processi a carica liquida, che trattano direttamente la ghisa liquida proveniente dall’altoforno attraverso i convertitori (Bessemer, Tomas, a ossigeno); processi a carica solida, che utilizzano pani di ghisa solidi e rottami di ferro portati a fusione mediante forni (MartinSiemens, elettrico). Ossigeno Foro di colata Ghisa fusa e rottami di ferro A CARICA LIQUIDA PROCESSI DI FABBRICAZIONE DELL’ACCIAIO A CARICA SOLIDA – Convertitore Bessemer (rivestimento acido) – Convertitore Thomas (rivestimento basico) – Convertitore a ossigeno (L.D., O.B.M., Kaldo, Rotor) – Forno Martin-Siemens – Forno elettrico A1.23 Principali processi di fabbricazione dell’acciaio. A1.25 Convertitore a ossigeno L.D. (Linz e Donawitz). Forno per l’affnazione della ghisa liquida mescolata con rottami di ferro che utilizza ossigeno puro insuffato dall’alto mediante tubo metallico (lancia di Linz). Aria A1.24 Convertitori Bessemer e Thomas per la fabbricazione dell’acciaio. Carica della ghisa fusa Insufaggio dell’aria Colata dell’acciaio 16 In queste condizioni risulta possibile aggiungere alla carica di ghisa liquida di partenza anche dei rottami di ferro solidi, aumentando la capacità di carica e risparmiando sui costi di trasformazione. L’acciaio ottenuto con questo processo ha caratteristiche migliori rispetto a quello che si otteneva con i convertitori Bessemer e Tomas, con una più precisa percentuale di carbonio e minori impurezze (costituite da fosforo, silicio, azoto e zolfo). materiali di interesse industriale modulo A tra la carica stessa e due o tre elettrodi di grafte [fg. A1.27]. Il forno elettrico ad arco garantisce una maggior precisione nel Camera di combustione (laboratorio) Metallo fuso Apertura di carico Volta di riverbero Tappo Canale di colata A1.26 Forno Martin-Siemens. La carica può essere costituita da rottami di acciaio e ghisa solida (metodo Martin), oppure da rottami di acciaio, ghisa liquida e minerali di ferro polverizzato (metodo Siemens). Volta di mattoni silicei Arco voltaico Collegamento elettrico Bocca di carico Elettrodo Bocca di colata Forno elettrico ad arco È un forno nel quale la carica è costituita da rottami di ferro e pani di ghisa solida. Questi elementi vengono portati alla fusione mediante il calore prodotto dall’arco voltaico fatto scoccare Suola di rivestimento Bruciatori (gas, gasolio) Forno martin-Siemens Si tratta di un forno a riverbero, nel quale la carica è costituita in prevalenza da rottami di ferro (70%) quasi sempre mescolati a ghisa liquida d’altoforno (30%). Il calore di riscaldamento viene ottenuto dalla combustione di gas o nafa con l’aria preriscaldata mediante il recupero del calore dei fumi di uscita. La temperatura raggiunta è intorno ai 1800 °C [fg. A1.26]. La ghisa si decarbura sia per la presenza dei rottami di ferro (poveri di carbonio) sia reagendo con il refrattario della suola di rivestimento che, per questo motivo, periodicamente va ripristinata. L’operazione è molto lunga (8 ore) e consente di ottenere un acciaio di qualità. Con l’aggiunta fnale di opportuni additivi è possibile ottenere acciai aventi la composizione e le caratteristiche desiderate. Questo forno è quasi completamente sostituito dai forni elettrici. controllo delle condizioni di afnazione della ghisa e perciò risulta più adatto per la produzione di acciai speciali ad alta resistenza. Culla metallica A1.27 Forno elettrico ad arco voltaico. La carica è composta da rottami di ferro e pani di ghisa solida. 17 unità A1 Caratteristiche dei materiali e leghe del ferro Fili: sono prodotti laminati avvolti a caldo in matasse con sezione circolare di diametro inferiore a 5 mm. Lamiere: sono prodotti laminati forniti in fogli piani quadrati o rettangolari e spessore diverso. Si classifcano in sottili (s < 3 mm) e grosse (s = 3 mm). Nastri: sono prodotti laminati a caldo e avvolti in rotoli (coil). Si classifcano in larghi (larghezza = 600 mm) e stretti (larghezza < 600 mm). Semilavorati di acciaio L’acciaio viene messo in commercio sotto forma di semilavorati ottenuti mediante il processo di laminazione. L’operazione di laminazione può essere efettuata sui lingotti riscaldati oppure direttamente durante il processo di colata continua dell’acciaio proveniente dai convertitori o dai forni. I semilavorati ottenuti con la laminazione hanno forme e denominazioni classifcate dalla normativa nel modo rappresentato nella fgura A1.28 di seguito commentata. Classifcazione e applicazioni degli acciai Blumi: sono barre a sezione quadrata, con dimensione del lato superiore a > 120 mm, o a sezione rettangolare con area S > 14.400 mm2. Billette: sono barre a sezione quadrata, con dimensioni del lato a comprese tra 50 ÷ 120 mm, o a sezione rettangolare con area S compresa tra 2500 ÷ 14.400 mm2. Proflati: sono barre di diverse dimensioni con sezione quadrata, rotonda, rettangolare, esagonale, a L, a I, a semplice o doppio T, a U ecc. Tubi e scatolati: sono tubi rotondi, quadrati o rettangolari di diverso spessore. Vergelle: sono prodotti laminati avvolti a caldo in matasse con sezione di forma diversa (tonda, quadrata, rettangolare ecc.) e dimensione maggiore superiore a 5 mm. La classifcazione degli acciai, prevista dalla normativa specifca, è estremamente complessa. Ci si limita, perciò, a segnalare e presentare schematicamente le tre tabelle di unifcazione più signifcative, che sono: – UNI EN 10020: Defnizione e classifcazione dei tipi di acciaio, del maggio 1989. – UNI EN 10027/1: Sistemi di designazione degli acciai. Designazione alfanumerica, simboli principali, del settembre 1993. – UNI EN 10027/2: Sistemi di designazione degli acciai. Designazione numerica, del settembre 1993. Per la classifcazione degli acciai si considera la suddivisione schematica riportata di seguito. Proflati Blumi a >120 mm 2 S > 14.400 mm Billette a = 50 ÷ 120 mm S = 2500 ÷ 14.400 mm 2 Tubi Scatolati A1.28 Semilavorati di acciaio più comuni. Piatto Quadro Tondo Esagonale “L” “U” “T” “Doppio T” Vergelle d > 5 mm Fili d < 5mm Lamiere Nastri 18 materiali di interesse industriale modulo A acciai comuni al carbonio Per questi acciai si ipotizza che le loro qualità caratteristiche dipendano soltanto dalla quantità di carbonio presente. Infatti il carbonio contribuisce ad aumentare la resistenza meccanica, la durezza, la fragilità e a diminuire la malleabilità e la duttilità. Si ottiene, allora, la seguente classifcazione in funzione della percentuale di carbonio presente: – – – – – – acciai extradolci: acciai dolci: acciai semidolci: acciai semiduri: acciai duri: acciai extraduri: < 0,008% 0,008 ÷ 0,1% 0,1 ÷ 0,40% 0,40 ÷ 0,55% 0,55 ÷ 0,80% 0,80% ÷ 2% Gli acciai comuni al carbonio sono universalmente impiegati in tutte quelle applicazioni che non hanno particolari esigenze: per esempio, carpenteria metallica, viti, pulegge, ruote dentate, funi, catene, organi di macchine ecc. Si tenga presente che gli acciai con tenore di carbonio superiore a 0,25% si possono ulteriormente indurire con il trattamento di tempra, mentre quelli con percentuale inferiore possono essere induriti solo superfcialmente con i trattamenti di cementazione, tempra e nitrurazione. acciai speciali Sono acciai che, oltre al carbonio, contengono altri elementi di lega in quantità tali da infuire notevolmente sulle proprietà meccaniche e tecnologiche. Gli elementi che solitamente vengono aggiunti all’acciaio sono: nichel, cromo, molibdeno, vanadio, silicio, manganese, tungsteno e cobalto. La presenza di questi elementi consente di ottenere la seguente classifcazione degli acciai speciali. Acciai ternari: si ottengono con l’aggiunta di un elemento. Per esempio: ferro + carbonio + silicio = acciaio per molle. Acciai quaternari: si ottengono con l’aggiunta di due elementi. Per esempio: ferro + carbonio + cromo (18%) + nichel (8%) = acciaio inossidabile, utilizzato per posateria. Acciai complessi: si ottengono con l’aggiunta di più di due elementi. Per esempio: ferro + carbonio + cromo (17%) + nichel (13%) + molibdeno = acciaio inossidabile resistente alla corrosione e al calore, utilizzato per caldaie, turbine a gas e applicazioni chimiche. designazione degli acciai unI en 10027 e unI en 10025 L’unifcazione divide gli acciai in due gruppi principali: – Gruppo 1: acciai designati in base al loro impiego e alle loro caratteristiche meccaniche o fsiche; – Gruppo 2: acciai designati in base alla loro composizione chimica, a loro volta suddivisi in quattro sottogruppi. gruppo 1 La sigla di designazione comprende: a. un simbolo principale costituito da una lettera dell’alfabeto (E o S); b. un numero indicante il carico unitario di snervamento minimo prescritto, in N/mm2. Esempi di designazione – E 335: acciaio impiegato per costruzioni meccaniche, con carico unitario di snervamento minimo garantito di 335 N/mm2. – S 235: acciaio per impieghi strutturali con carico di snervamento minimo garantito di 295 N/mm2. gruppo 2 Gli acciai del gruppo 2 sono suddivisi in quattro sottogruppi di seguito sinteticamente presentati. sottogruppo 2.1: acciai non legati con un tenore medio di manganese < 1% La sigla di designazione comprende: a. la lettera C; b. un numero pari a 100 volte il tenore percentuale di carbonio medio prescritto. Esempi di designazione – C 10: acciaio con 0,1% di carbonio. – C 40: acciaio con 0,40% di carbonio. sottogruppo 2.2: acciai non legati con un tenore medio di manganese ≥1% e acciai legati con elementi di lega presenti in quantità < 5% La sigla di designazione comprende: a. un numero pari a 100 volte il tenore percentuale di carbonio medio prescritto; b. i simboli chimici degli elementi presenti; unità A1 Caratteristiche dei materiali e leghe del ferro c. i numeri che esprimono le percentuali dei princi- pali elementi presenti moltiplicate per i seguenti fattori: – – – – 4 10 100 1000 per Ca, Cr, Mn, Ni, Si, W; per Al, Be, Cu, Mo, Nb, Pb, Ta, Ti, V, Zr; per Ce, N, P, S; per B. Esempi di designazione – 16 Ni Cr 4: acciaio legato con 0,16% di carbonio, 1% di nichel e cromo in percentuale non precisata. – 34 Cr Al Mo 5: acciaio legato con 0,34% di carbonio, 1,25% di cromo, alluminio e molibdeno in percentuale non precisata. sottogruppo 2.3: acciai legati nei quali almeno un ele- mento di lega è presente in quantità ≥5% La sigla di designazione comprende: a. la lettera X; b. un numero pari a 100 volte il tenore percentuale di carbonio medio prescritto; c. i simboli chimici degli elementi presenti; d. i numeri che esprimono le percentuali efettive dei principali elementi. Esempi di designazione – X 10 Cr Ni 18 08: acciaio legato, resistente alla corrosione, con 0,1% di carbonio, 18% di cromo e 8% di nichel (detto acciaio 18/8). – X 50 Ni Cr 35 15: acciaio legato per getti resistente al calore, all’usura e alla corrosione, con 0,5% di carbonio, 35% di nichel e 15% di cromo. – X 85 W 16: acciaio legato per utensili con 0,85% di carbonio e 16% di tungsteno (wolframio). sottogruppo 2.4: acciai rapidi 19 A1.6 trattamentI termICI delle leghe del Ferro Ciclo termico Si può defnire trattamento termico un insieme di operazioni, eseguite su un materiale solido, il cui scopo è di modifcarne la struttura interna, la composizione chimica, le proprietà meccaniche e tecnologiche (per un miglior utilizzo del materiale stesso). Le proprietà dei materiali che si possono modifcare con i trattamenti termici sono: – – – – – durezza; resistenza; tenacità; lavorabilità; malleabilità. Tutti i trattamenti sono caratterizzati dal ciclo termico, cioè dalla successione e dalla durata delle fasi di riscaldamento, di permanenza a temperatura costante e di rafreddamento [fg. A1.29]. Temperatura [°C] N.B. Velocità V1 > V3 Permanenza A T Velocità di rafreddamento di ricottura B V3 Riscaldamento α Rafreddamenti V1 β O Velocità di rafreddamento di tempra C t1 t2 Tempi [s] A1.29 Fasi caratteristiche di un ciclo termico. La sigla di designazione degli acciai rapidi comprende: a. le lettere HS; b. i numeri, separati da trattini, indicanti i tenori percentuali degli elementi di lega, riportati nel seguente ordine: – – – – tungsteno (W); molibdeno (Mo); vanadio (V); cobalto (Co). Fase di riscaldamento (oa) Consiste nel riscaldare il materiale dalla temperatura ambiente fno a una temperatura T. Caratteristiche di questa fase sono il valore della temperatura T (che varia moltissimo in funzione del trattamento e del materiale) e la velocità di riscaldamento, rappresentata nel grafco della fgura A1.29 dall’angolo α che il segmento OA forma con l’asse orizzontale dei tempi. 20 È opportuno che la velocità di riscaldamento non sia troppo elevata per evitare che la diversa temperatura delle parti interne ed esterne del materiale generi diferenti dilatazioni e conseguenti tensioni o cricche. Fase di permanenza alla temperatura costante (aB) Consiste nel mantenere il materiale a temperatura costante per un determinato intervallo di tempo (t2 – t1). Questa fase ha lo scopo di garantire che il materiale assuma in tutti i punti la stessa temperatura e la struttura desiderata. Caratteristica di questa fase è il tempo di permanenza (t2 – t1) che dipende dalle dimensioni del pezzo e dal trattamento termico eseguito. La sua scelta, accurata, garantisce la buona riuscita del trattamento. Fase di raffreddamento (BC) Consiste nel riportare il materiale scaldato a temperatura ambiente. Questa fase risulta la più importante perché i diversi valori della velocità di rafreddamento, rappresentati nel grafco della fgura A1.29 dall’angolo β che il segmento BC forma con l’asse orizzontale dei tempi, conferiscono al materiale una diversa struttura interna e, quindi, diverse proprietà. La velocità di rafreddamento varia da poche decine di gradi all’ora (rafreddamento in forno) a centinaia di gradi al secondo (rafreddamento in acqua agitata). Essa dipende dal materiale, dal trattamento e dalle dimensioni del pezzo. Principali trattamenti termici Vengono presentati ora i principali trattamenti termici eseguiti sulle ghise e sugli acciai, con una breve descrizione della procedura e l’elencazione degli efetti ottenuti sul materiale. materiali di interesse industriale modulo A Gli acciai con piccole quantità di carbonio non subiscono gli efetti della tempra (si dice che gli acciai dolci non prendono tempra). La tempra può essere efettuata anche su una parte limitata di un pezzo (tempra locale) e, in genere, viene seguita dal trattamento di rinvenimento. rinvenimento Questo trattamento si esegue sui materiali temprati e consiste in un riscaldamento a una temperatura di molto inferiore a quella di tempra e in un successivo rafreddamento, più o meno lento. Il rinvenimento ha lo scopo di attenuare gli efetti della tempra, limitando la durezza ma aumentando la tenacità. Si efettua a una temperatura che varia, di solito, dai 200 ai 650 °C. Più alta è la temperatura di rinvenimento più attenuati sono gli efetti della tempra. Bonifca È il nome tecnico che viene dato all’insieme dei trattamenti di tempra e di rinvenimento. Gli efetti di questo trattamento sono un compromesso tra l’aumento della durezza e della resistenza con il mantenimento di una buona resilienza. Il ciclo termico complessivo è rappresentato nella fgura A1.30. ricottura Questo trattamento consiste in un prolungato riscaldamento a una temperatura di 850 ÷900 °C e un successivo lento rafreddamento. Lo scopo del trattamento di ricottura è quello della soppressione degli efetti di precedenti trattamenti termici e il ripristino di una struttura interna normale. tempra Questo trattamento consiste nel riscaldare il materiale fno a una temperatura opportuna (temperatura di tempra, circa 800 °C per l’acciaio), mantenerlo a questa temperatura per un determinato tempo e quindi rafreddare rapidamente per immersione del pezzo in un fuido (acqua o olio). Temperatura [°C] Tempra Rinvenimento B A Tt Tr D E t4 t5 Gli efetti della tempra sono: – – – – – aumento della durezza; aumento della resistenza alla rottura a trazione; diminuzione della resilienza; diminuzione della lavorabilità; diminuzione dell’allungamento percentuale. β α C t1 t2 t3 Tempi [s] A1.30 Forma qualitativa del ciclo termico di bonifca, costituito dai successivi cicli di tempra e rinvenimento. 21 unità A1 Caratteristiche dei materiali e leghe del ferro normalizzazione Questo trattamento consiste in un prolungato riscaldamento a una temperatura di 850 ÷ 900 °C e un successivo rafreddamento in aria calma. Gli obiettivi che si conseguono con la normalizzazione sono il ripristino di una struttura interna omogenea, l’eliminazione delle tensioni interne dovute a precedenti lavorazioni (laminazione, saldatura ecc.) e la predisposizione del materiale alle successive lavorazioni o trattamenti. I cicli termici di ricottura e normalizzazione sono simili a quello rappresentato nella fgura A1.31. trattamenti termochimici Cementazione o carbocementazione È un trattamento che consiste nel riscaldare il materiale in un ambiente ricco di carbonio (con elementi cementanti solidi, liquidi o gassosi) a una temperatura di circa 950 °C e permanenza a questa temperatura per un determinato tempo afnché il carbonio penetri, per difusione, nella superfcie del pezzo. Lo strato superfciale arricchito di carbonio può avere uno spessore variabile da pochi decimi fno a 1,5 mm in funzione del tempo di permanenza alla temperatura di difusione del carbonio nel materiale. Con un successivo trattamento di tempra si ottengono, sulla superfcie esterna del pezzo, elevata durezza, ottima resistenza all’usura, buona resistenza a fatica (rottura per sforzi ripetuti), mentre le parti interne conservano le caratteristiche di tenacità, malleabilità e resilienza. Questo trattamento si applica sui pezzi che devono presentare elevate caratteristiche di durezza superf- ciale e, contemporaneamente, malleabilità strutturale (alberi rotanti, ruote dentate ecc.). L’alta temperatura raggiunta con questo trattamento e la successiva tempra sono sempre causa di ossidazioni e deformazioni dei pezzi che, perciò, richiedono sempre una successiva lavorazione di fnitura efettuata alla rettifcatrice. nitrurazione Questo trattamento consiste nel riscaldare un materiale, a circa 500 °C, per un tempo sufcientemente lungo da permettere all’azoto (N) di penetrare, per difusione, nella superfcie del pezzo per formare dei nitruri. La profondità di difusione dell’azoto e la relativa formazione di nitruri è di pochi decimi di millimetro, sufcienti a conferire alla superfcie buone caratteristiche di durezza e resistenza all’usura, senza la necessità di ulteriori trattamenti. La bassa temperatura raggiunta non richiede successive lavorazioni di fnitura. Temperatura [°C] A T Tt B Rafreddamento lento t2 Tempi [s] α t1 A1.31 Forma qualitativa del ciclo termico della ricottura e della normalizzazione. 22 materiali di interesse industriale modulo A hoepliscuola.it eSeRCITAZIONe GUIDATA / A1.1 Proprietà dei materiali Nella seconda colonna della tabella sono riportate le proprietà caratteristiche dei materiali e nella quarta alcuni esempi. Completare la tabella riportando: – nella terza colonna le caratteristiche delle proprietà; – nella quinta colonna le defnizioni degli esempi di proprietà. eSeRCITAZIONe N. 1. Proprietà dei materiali Chimiche Caratteristiche Fisiche ............................................................................................. .............................................................. ............................................................................................. .............................................................. ............................................................................................. .............................................................. .............................................................. ............................................................................................. .............................................................. ............................................................................................. .............................................................. ............................................................................................. .............................................................. ............................................................................................. .............................................................. .............................................................. 2.1 Temperatura di fusione 2.2 Massa volumica 2.3 Capacità termica massica 2.4 Dilatazione termica ............................................................................................. ............................................................................................. ............................................................................................. ............................................................................................. .............................................................. ............................................................................................. .............................................................. ............................................................................................. .............................................................. ............................................................................................. .............................................................. .............................................................. .............................................................. .............................................................. 3.1 Trazione .............................................. 3.2 Compressione ............................. 3.3 Flessione ............................................ 3.4 Torsione .............................................. 3.5 Taglio ..................................................... .............................................................. .............................................................. .............................................................. .............................................................. .............................................................. .............................................................. .............................................................. .............................................................. .............................................................. ............................................................................................. ............................................................................................. ............................................................................................. ............................................................................................. ............................................................................................. ............................................................................................. ............................................................................................. .............................................................. Tecnologiche ............................................................................................. ............................................................................................. .............................................................. 4. ............................................................................................. .............................................................. .............................................................. Meccaniche 1.1 Ossidazione 1.2 Corrosione .............................................................. .............................................................. 3. Defnizioni .............................................................. .............................................................. 2. Esempi di proprietà 4.1 Fusibilità ............................................. 4.2 Saldabilità ......................................... 4.3 Truciolabilità .................................. 4.4 Plasticità ............................................. 4.5 Malleabilità ..................................... 4.6 Duttilità ............................................... 4.7 Estrudibilità .................................... 4.8 Imbutibilità ..................................... 4.9 Piegabilità ........................................ ............................................................................................. ............................................................................................. ............................................................................................. ............................................................................................. ............................................................................................. ............................................................................................. ............................................................................................. ............................................................................................. ............................................................................................. 23 unità A1 Caratteristiche dei materiali e leghe del ferro eSeRCITAZIONe GUIDATA / A1.2 hoepliscuola.it Leghe ferro-carbonio Lo schema sotto riportato rappresenta le leghe ferro-carbonio che si ottengono al variare della percentuale di quest’ultimo. Completare identifcando il nome delle leghe sulle righe orizzontali corrispondenti e le caratteristiche principali di ciascuna lega nei riquadri. ........................................................................ ........................................................................ ........................................................................ ............................................................. ............................................................. ............................................. ............................................. Percentuale di carbonio nel ferro eSeRCITAZIONe 6,67 ............................................................. ............................................................. ............................................................. ............................................................. 2 ............................................................. ............................................................. ............................................................. ............................................................. ............................................................. ............................................................. 0,8 ............................................. 0,55 ............................................. 0,4 ............................................. 0,1 0,01 Acciaio ............................... 0 Acciao extradolce (ferro) ............................................................. ............................................................. ............................................................. ............................................................. ............................................................. ............................................................. 24 materiali di interesse industriale modulo A hoepliscuola.it eSeRCITAZIONe GUIDATA / A1.3 Altoforno 1. Nella fgura è schematicamente rappresentato l’altoforno. Dopo aver visionato la corrispondente parte teorica del testo, completare scrivendo: – le parti fondamentali sulle righe a sinistra dello schema; – le temperature che si raggiungono nelle diverse zone; – i fenomeni che si sviluppano nelle zone stesse. PARTI COSTITUENTI ZONE Caricamento .................................................................. ................................................... ................................................... eSeRCITAZIONe FENOMENI CARATTERISTICI .................................................................. ................................................... .................................................................. ................................................... .................................................................. ................................................... 400 °C .................................................................. .................................................................. ................................................... ...................... °C ................................................... .................................................................. ................................................... .................................................................. ................................................... ................................................... ........................... .................................................................. ........................... .................................................................. ........................... .................................................................. ................................................... ................................................... 2. Completare il lavoro con una breve relazione nella quale: a. si descriva il funzionamento dell’altoforno; b. si elenchino i principali prodotti dell’altoforno. .................................................................. .................................................................. 25 unità A1 Caratteristiche dei materiali e leghe del ferro hoepliscuola.it eSeRCITAZIONe GUIDATA / A1.4 Ghise: defnizione, tipi, caratteristiche e impieghi Dopo aver analizzato attentamente il paragrafo A1.4 relativo alla ghisa, procedere nella compilazione di quanto richiesto. 1. Defnizione della ghisa: .............................................................................................................................................................................................................................................................. ................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................. ................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................. ..................................................................................................... ..................................................................................................... ..................................................................................................... ..................................................................................................... ..................................................................................................... ..................................................................................................... ..................................................................................................... ..................................................................................................... ..................................................................................................... ..................................................................................................... ..................................................................................................... ..................................................................................................... ..................................................................................................... ..................................................................................................... ..................................................................................................... ..................................................................................................... ..................................................................................................... ..................................................................................................... ..................................................................................................... ..................................................................................................... ..................................................................................................... ..................................................................................................... ..................................................................................................... ..................................................................................................... ..................................................................................................... ..................................................................................................... ..................................................................................................... ..................................................................................................... ..................................................................................................... ..................................................................................................... ..................................................................................................... ..................................................................................................... Bianca Grigia UNI EN 1561 Impieghi Malleabile UNI EN 1562 Tipi eSeRCITAZIONe Proprietà Sferoidale UNI EN 1563 2. Compilare la tabella per ciascuno dei tipi di ghisa, riportandone caratteristiche e impieghi. Struttura cristallina 3. Ricavare le sigle di designazione delle ghise qui riportate insieme con le loro caratteristiche. a. Ghisa grigia per getti con carico di rottura 280 N/mm2: ................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................. b. Ghisa grigia per getti con durezza Brinell 265 HB: ................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................. c. Ghisa malleabile bianca con carico di rottura 420 N/mm2 e allungamento 7%: ................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................. d. Ghisa malleabile nera con carico di rottura 380 N/mm2 e allungamento 10%: ................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................. e. Ghisa malleabile perlitica con carico di rottura 480 N/mm2 e allungamento 6%: ................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................. f. Ghisa sferoidale con carico di rottura a trazione 380 N/mm2 e allungamento minimo 14%: ................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................. 26 materiali di interesse industriale modulo A hoepliscuola.it eSeRCITAZIONe GUIDATA / A1.5 Convertitori della ghisa in acciaio Nella tabella sono riportati i principali convertitori della ghisa in acciaio. Completare la tabella defnendo: eSeRCITAZIONe – la descrizione e il funzionamento dei diversi convertitori; – le caratteristiche dell’acciaio ottenuto. Convertitore Descrizione e funzionamento Caratteristiche dell’acciaio Bessemer e Thomas ................................................................................................................ ................................................................................................................ ................................................................................................................ ................................................................................................................ ................................................................................................................ ................................................................................................................ ................................................................................................................ ................................................................................................................ 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A ossigeno Martin-Siemens Elettrico ad arco 27 unità A1 Caratteristiche dei materiali e leghe del ferro eSeRCITAZIONe GUIDATA / A1.6 hoepliscuola.it Designazione degli acciai Designare gli acciai con le caratteristiche di seguito riportate. Riferimenti paragrafo A1.5 – Gruppo 1: acciai designati in base al loro impiego e alle loro caratteristiche meccaniche o fsiche. a. Acciaio impiegato per costruzioni meccaniche, con carico unitario di snervamento minimo garantito di 335 N/mm2. eSeRCITAZIONe ................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................. ................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................. – Gruppo 2, sottogruppo 2.1: acciai non legati con un tenore medio di manganese < 1%. b. Acciaio con 0,30% di carbonio. ................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................. ................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................. – Gruppo 2, sottogruppo 2.2: acciai non legati con un tenore medio di manganese ≥ 1% e acciai legati con elementi di lega presenti in quantità < 5%. c. Acciaio legato con 0,35% di carbonio, 1,25% di cromo e alluminio e molibdeno in quantità non precisata. ................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................. ................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................. – Gruppo 2, sottogruppo 2.3: acciai legati nei quali almeno un elemento di lega è presente in quantità ≥ 5. d. Acciaio legato per getti resistenti al calore, all’usura e alla corrosione, con 0,5% di carbonio, 30% di nichel e 12% di cromo. ................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................. ................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................. – Gruppo 2, sottogruppo 2.4: acciai rapidi. e. Acciaio rapido con 30% di tungsteno, 20% di molibdeno, 15% di vanadio e 12% di cobalto. ................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................. ................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................. 28 materiali di interesse industriale modulo A hoepliscuola.it eSeRCITAZIONe GUIDATA / A1.7 Trattamenti termici Compilare la tabella dei principali trattamenti termici, descrivendone le procedure, gli efetti ottenuti e tracciandone, con il disegno del ciclo, la successione delle fasi. Tempra Rinvenimento Bonifca Ricottura Normalizzazione eSeRCITAZIONe Trattam. termico Procedura Efetti ottenuti .......................................................................................... .......................................................................................... .......................................................................................... .......................................................................................... .......................................................................................... .......................................................................................... .......................................................................................... .......................................................................................... .......................................................................................... 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Successione delle fasi (disegno del ciclo) 29 verifiCA degli obiettivi / unità A1 AReAdigitale Vero/Falso 1. Le proprietà chimiche dei materiali riguardano la Scelta singola/multipla 11. Il granito può essere defnito: loro composizione chimica e la loro struttura interna. Vero Falso a. b. c. d. 2. Fra le proprietà tecnologiche si può considerare anche l’attitudine del materiale a essere trasformato mediante deformazione plastica. Vero Falso metallo lega miscuglio materiale artifciale 3. I metalli sono pessimi conduttori di calore e di corrente elettrica. Vero Falso 12. Le proprietà meccaniche dei materiali si riferiscono alla capacità di: a. non ossidarsi se messi a contatto con l’acqua b. resistere alle sollecitazioni c. trasformarsi mediante lavorazione d. lasciarsi ridurre in fli 4. La ghisa bianca contiene meno del 2% di carbonio. 13. Come si chiamano le forze applicate in tempi brevi? Vero Falso 5. La sigla C40 rappresenta un acciaio al carbonio non legato. Vero Falso Completamento 6. La tecnologia è la scienza che studia i ...................................... ................................, la loro composizione, le ....................................................... ............... e le lavorazioni ...................................................................... per il loro impiego. 7. L’acciaio è una lega .................................-................................. con una percentuale massima di carbonio pari al .............................%. 8. La duttilità è l’...................................................................... di un mate- VeRIFICA riale a lasciarsi ridurre in ...................................................................... senza rompersi. 9. La ghisa è una lega ferro-carbonio con punto di .................................................... intorno ai 1200°C, non ..................................... ................................. e dotata di buona .................................................................... 10. I trattamenti termici sono caratterizzati dalla succes- sione e durata delle fasi di ......................................................................, di permanenza a ............................................................................. costante e di ...................................................................................... a diverse velocità. a. b. c. d. Statiche Dinamiche Periodiche Concentrate 14. Quale fra i seguenti acciai è legato, con almeno un elemento presente in quantità superiore al 5%? a. 36CrNiMo16 b. S275 c. C30 d. X12Cr13 15. Quale fra i seguenti trattamenti termici sugli acciai è il più adatto per migliorare la malleabilità? a. Tempra b. Normalizzazione c. Bonifca d. Nitrurazione e. Cementazione