Hoepli Scuola

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Hoepli Scuola

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
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
............................
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
modulo E AzIENdA E sUA dIMENsIONE
OrgANIzzAtIVA ................................................................................................. 281
unità E3 Normativa e qualità .............................................................. 324
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
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
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
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].
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
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
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.
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
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
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).
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.
– 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].
– 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
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).
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
 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
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.
– 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%
a. la lettera C;
b. un numero pari a 100 volte il tenore percentuale di
carbonio medio prescritto.
– 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%
a. un numero pari a 100 volte il tenore percentuale di
carbonio medio prescritto;
b. i simboli chimici degli elementi presenti;
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.
– 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%
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.
– 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.
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
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
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 .....................................................
..............................................................
..............................................................
..............................................................
..............................................................
..............................................................
..............................................................
..............................................................
..............................................................
..............................................................
.............................................................................................
.............................................................................................
.............................................................................................
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.............................................................................................
.............................................................................................
.............................................................................................
..............................................................
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 ........................................
.............................................................................................
.............................................................................................
.............................................................................................
.............................................................................................
.............................................................................................
.............................................................................................
.............................................................................................
.............................................................................................
.............................................................................................
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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.
........................................................................
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Percentuale di carbonio nel ferro
eSeRCITAZIONe
6,67
.............................................................
.............................................................
.............................................................
.............................................................
2
.............................................................
.............................................................
.............................................................
.............................................................
.............................................................
.............................................................
0,8
.............................................
0,55
.............................................
0,4
.............................................
0,1
0,01
Acciaio ...............................
0
Acciao extradolce (ferro)
.............................................................
.............................................................
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hoepliscuola.it
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
hoepliscuola.it
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: ..............................................................................................................................................................................................................................................................
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.....................................................................................................
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.....................................................................................................
.....................................................................................................
.....................................................................................................
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:
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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
hoepliscuola.it
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
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
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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

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