Materiali metallici

Due terzi di tutti gli elementi presenti in natura sono metalli. Essi presentano particolari proprietà meccaniche, hanno superfici lucide, un elevato coefficiente di conducibilità termica e sono elettricamente conduttivi. Data la loro varietà, non è facile dare una definizione esatta del termine “materiale metallico”. I metalli hanno la capacità di legarsi tra loro e con altre sostanze per formare leghe. Data la loro importanza tecnica, gli utenti classificano i materiali metallici in metalli ferrosi e metalli non ferrosi. La disciplina che descrive la produzione e la lavorazione dei metalli e delle leghe metalliche è la metallurgia. La disciplina scientifica si chiama metallurgia.

Nella scienza dei materiali, la classificazione dei materiali metallici avviene in base al metallo di base, alle proprietà del materiale o alla destinazione d’uso:

• I materiali ferrosi, come l’acciaio o la ghisa, sono costituiti prevalentemente da ferro e da una quantità definita di carbonio.
• Metalli non ferrosi: ad esempio alluminio, rame, titanio, magnesio e le loro leghe
• Metalli duri
• Metalli morbidi

La suddivisione in metalli duri e metalli morbidi non è definita in modo uniforme nella letteratura. Nella maggior parte dei casi, gli autori includono nella categoria dei metalli morbidi tutti i metalli più morbidi del ferro e dell’acciaio.

La categoria dei materiali ferrosi si occupa del sistema binario ferro-carbonio, in particolare delle leghe ferro-carbonio. In linea di principio, i tecnici dei materiali distinguono i materiali ferrosi in acciai (contenuto di carbonio inferiore al 2,06%) e materiali da fusione ferrosa (contenuto di carbonio superiore al 2,06%). Ulteriori elementi di accompagnamento determinano la composizione delle singole qualità di ferro e acciaio, nonché le loro proprietà specifiche. Ne derivano quindi le seguenti possibilità di classificazione:

• in base al tenore di carbonio
• in base alla composizione chimica esatta
• in base alla classe di qualità secondo i requisiti pratici di utilizzo

Gli acciai e la ghisa sono composti di ferro e carbonio che si differenziano per il tenore di carbonio e, di conseguenza, per la loro deformabilità plastica. Gli acciai contengono fino al 2% di carbonio e sono le cosiddette leghe lavorabili a freddo. Ciò significa che sono deformabili plasticamente. Per questo motivo, i materiali in acciaio sono particolarmente adatti alla produzione di semilavorati e pezzi stampati tecnici.

La ghisa tecnica e le leghe di ghisa contengono fino al 3,5% di carbonio. Poiché l’elevato tenore di carbonio produce una lega relativamente rigida, il principale metodo di produzione dei materiali in ghisa è la fusione.

La percentuale di carbonio in una lega ferrosa influisce quindi in modo determinante sulle proprietà del materiale. Anche piccole variazioni nella concentrazione di carbonio possono avere effetti significativi. Uno strumento importante per illustrare i diversi comportamenti dell’acciaio e della ghisa in funzione del tenore di carbonio è il diagramma ferro-carbonio.

Non solo il tenore di carbonio, ma anche l’aggiunta di vari elementi di lega influisce sulle proprietà dei materiali a base di ferro, in particolare dell’acciaio. Gli elementi chimici che possono essere aggiunti alla miscela di ferro e carbonio sono metalli pesanti come, ad esempio, il piombo e il cadmio, metalli leggeri come l’alluminio e il rame, nonché non metalli come, ad esempio, il silicio. A seconda della percentuale di leghe, si distinguono i seguenti tipi di acciaio:

• acciai non legati con una percentuale di leganti inferiore all’1%
• Acciai legati con una percentuale di leganti compresa tra l’1% e il 5%
• Acciai altamente legati con una percentuale di leganti superiore al 5%

A seconda delle caratteristiche d’uso richieste (ad es. deformabilità, saldabilità, durezza), gli acciai vengono classificati in base alla loro qualità in acciai di base, acciai di qualità e acciai inossidabili. Mentre, ad esempio, gli acciai comuni non richiedono misure particolari durante la produzione, la composizione chimica, il grado di purezza e la produzione degli acciai inossidabili sono soggetti a tolleranze molto strette.

Nella classificazione in base all’applicazione, gli esperti di materiali distinguono gli acciai in acciai da costruzione, da struttura e da utensili. La ghisa viene suddivisa, a seconda del metodo di produzione e delle proprietà, in ghisa grigia, ghisa d’acciaio, ghisa malleabile e ghisa dura.

Gli scienziati dei materiali definiscono “metalli non ferrosi” tutti i metalli presenti in natura e le leghe che non contengono ferro né leghe di ferro. Un’ulteriore classificazione dei metalli non ferrosi si basa sulla loro densità e distingue tra metalli pesanti e metalli leggeri. È inoltre comune una suddivisione in metalli non ferrosi (ad es. rame, alluminio, cobalto, nichel, zinco) e metalli preziosi (argento, oro, platino).

Poiché la classe di materiali denominata “metalli non ferrosi” comprende una grande varietà di materiali, non è possibile formulare un’affermazione generale riguardo alle loro proprietà. A seconda del metallo, le caratteristiche positive o quelle meno desiderabili nella pratica sono presenti in misura diversa. Alcuni metalli non ferrosi hanno un peso particolarmente ridotto, altri un aspetto particolare, altri ancora possiedono un’elevata conduttività elettrica o sono magnetici. Le seguenti proprietà sono comuni a quasi tutti i metalli non ferrosi:

• Resistenza alla corrosione
• Resistenza all’usura
• Colabilità
• buona legabilità
• elevata conduttività
• buona lavorabilità meccanica

I metalli non ferrosi di interesse tecnico sono spesso più costosi dei metalli ferrosi. Tuttavia, grazie alle loro caratteristiche particolari, sono indispensabili per determinate applicazioni tecniche o vengono preferiti per altri motivi.

I metalli non ferrosi vengono utilizzati nei seguenti settori:

• elettrotecnica, elettronica
• Ingegneria meccanica e impiantistica
• Industria automobilistica
• Aeronautica e aerospaziale, cantieristica navale
• Costruzione di stampi, attrezzature e utensili
• Industria alimentare
• Industria dell'imballaggio
• Ottica e tecnologia dell'illuminazione
• Arti decorative e gioielleria

Il termine generico “metalli non ferrosi” comprende tutti i metalli puri e le leghe metalliche in cui la componente principale non è costituita da ferro. A seconda della densità, i metalli non ferrosi utilizzati in ambito tecnico si distinguono in metalli leggeri e metalli pesanti. Tra i metalli leggeri figurano, ad esempio, il magnesio, il titanio e l’alluminio. Quest’ultimo trova impiego soprattutto sotto forma di leghe nell’industria e nella tecnica. Tra i metalli pesanti di maggiore rilevanza tecnica figurano lo zinco, lo stagno, il rame e le loro leghe, quali il bronzo, il ghisa rossa e l’ottone.

I metalli duri rientrano nella categoria dei materiali compositi. Sono costituiti per il 90-94% da carburo di tungsteno e fino al 10% da cobalto. La caratteristica distintiva dei metalli duri è la loro elevata resistenza all’usura e durezza, in particolare l’eccellente durezza a caldo. Pertanto, sono ideali per la produzione di utensili e di componenti sottoposti a forze di attrito superiori alla media.

Tra le applicazioni classiche dei metalli duri figurano lame da sega, punte da trapano, frese e utensili di tornitura per la lavorazione ad asportazione di trucioli dei più svariati pezzi. Anche i coltelli per impieghi industriali e gli utensili utilizzati nei mulini e nelle miniere sono spesso realizzati con metalli duri speciali.

A seconda del processo di produzione, gli esperti distinguono

• tra metalli duri colati e
• metalli duri sinterizzati

A seconda della destinazione d’uso, i metalli duri vengono suddivisi nei gruppi P, M e K. La classificazione delle varietà avviene tramite un codice che descrive la tenacità e il comportamento all’usura del materiale.

Il termine “metallo morbido” non è definito in modo univoco dalla scienza dei materiali. In linea di principio, rientrano in questa categoria tutti i metalli più morbidi del ferro e delle leghe di ferro, come ad esempio l’alluminio, l’oro, l’argento, il platino, lo stagno, lo zinco e il rame.