Metallurgia

metallurgia s.f. Insieme della scienza concernente le proprietà fisiche e chimicofisiche dei metalli, chiamata più propriamente scienza dei metalli, e della tecnica di estrazione dei metalli dai loro minerali, di elaborazione e trattamento dei metalli stessi. � Metallurgia delle polveri, insieme della tecnologia di fabbricazione di polveri metalliche, atte a successive operazioni per ottenere determinati prodotti finiti, e della tecnologia concernente dette operazioni. (Sin.  ceramica dei metalli, metalloceramica, ceramica delle polveri.)

u Metallurgia
 

v Storia della metallurgia

Sin dalla più remota antichità erano conosciuti e utilizzati il rame, l'oro, l'argento e successivamente il piombo, il ferro e lo stagno.

Già nel XII sec. a.C. la metallurgia del ferro si avvaleva di bassifuochi ed erano note alcune tecniche metallurgiche fondamentali, quali la fucinatura e la fusione: la fusione a cera persa consentiva agli Egizi, ai Cinesi, ai Greci e ad altre popolazioni di fondere oggetti in bronzo. Le prime applicazioni documentate della saldatura con oro, argento, piombo risalgono al  VII sec. a.C.; il trattamento di tempra dell'acciaio era conosciuto già ai tempi di Omero (Odissea). Durante l'Impero romano e l'alto medioevo i procedimenti metallurgici fecero ben pochi progressi: le tecniche e le modalità di lavorazione erano prerogativa di artigiani specializzati e di singole regioni. I Galli, ad esempio, erano rinomati per l'elaborazione dell'oro; i Germani della Renania e della Lorena erano maestri nella fabbricazione delle armi e degli attrezzi in ferro; i Cinesi eccellevano nella lavorazione del bronzo e gli Arabi di Damasco in quella dell'acciaio. La diffusione degli altiforni ( XIVsec.) diede notevole impulso all'impiego della ghisa, specialmente per la fabbricazione di getti fusi; a partire dalla seconda metà del XVIII sec. i metallurgisti inglesi adottarono in grande scala il procedimento di elaborazione dell'acciaio al crogiolo per la costruzione degli utensili (B. Huntsman, 1740) e il puddellaggio (Henry Cort, 1784). L'uso del maglio a vapore risale al 1806. Nella seconda metà del secolo scorso vennero introdotti grandi procedimenti metallurgici, ancora oggi in uso nella siderurgia: processo Bessemer di conversione della ghisa in acciaio (1856); processo Martin per l'elaborazione dell'acciaio al forno a riverbero (1865), processo che subì un grande miglioramento con l'aggiunta del sistema di recupero termico ideato dai fratelli Siemens; processo di conversione in ambiente basico, brevettato nel 1877 da S. G. Thomas e P. C. Gilchrist, che permise l'utilizzazione dei minerali fosforosi. Sempre nello stesso periodo vennero messe a punto nuove tecniche, grazie all'invenzione dei forni elettrici ad arco di uso industriale (Hιroult, 1900); dei forni a elettrolisi per l'elaborazione dell'alluminio, dei forni elettrici a resistori, dei forni a induzione a bassa e ad alta frequenza. La conoscenza della struttura dei metalli e delle loro leghe assunse un carattere teorico e scientifico con i lavori di Rιaumur. Dalla fine del secolo scorso la metallografia, a opera di Osmond, Werth, H. Le Chatelier, L. Guillet, W. C. R. Austen, P. Martin, E. Maurer, consentì di approfondire la conoscenza dei fenomeni relativi ai trattamenti termici; è del 1906, ad es., l'adozione dell'invecchiamento artificiale del duralluminio; divenne inoltre possibile l'ottenimento di nuove leghe nel campo degli acciai speciali, con l'introduzione negli acciai di metalli come il nichel, il cromo, il wolframio. Dal 1940 ha avuto inizio la produzione di lamierini magnetici al silicio a cristalli orientati e dei monocristalli in germanio e silicio.

v Minerali

Solo  pochi metalli (oro, argento, platino, rame) esistono allo stato nativo; la maggior parte si trova allo stato di composti sotto forma di ossidi, solfuri, carbonati, silicati, cloruri, ecc. Questi composti sono spesso miscele: per es., solfuro doppio di rame e ferro, che costituisce la calcopirite; silicato basico di magnesio e nichel che costituisce la garnierite, ecc. In questi minerali il composto metallico è mescolato a materiale sterile, che costituisce la ganga, dalla quale essi vanno separati. Prima di ogni trattamento metallurgico propriamente detto il minerale estratto dalla miniera deve pertanto essere sottoposto a una opportuna serie di trattamenti preparatori di arricchimento, mediante cernita, frantumazione, macinazione, separazione magnetica o lavaggio gravimetrico, flottazione, oppure mediante cicloni.
 

v Operazioni metallurgiche

Il  ciclo delle operazioni metallurgiche è costituito dalla estrazione del metallo dal minerale, dalla sua elaborazione, dai procedimenti tecnologici finali di metallurgia fisica.
 

² Estrazione, elaborazione e affinazione del metallo

La separazione del metallo dal minerale viene effettuata mediante vari metodi:

sfruttando insieme l'azione riducente del carbone e il calore sviluppato dalla sua combustione, con l'apporto del quale viene raggiunta la temperatura atta al procedimento chiamato di pirometallurgia;

sfruttando soltanto l'azione riducente del carbone, mentre il calore necessario è prodotto elettricamente; il procedimento è chiamato elettrometallurgico.

mediante lisciviazione del minerale con una soluzione così che si ottenga un sale solubile del metallo che possa essere successivamente separato da questo; il procedimento è chiamato idrometallurgia;

mediante riduzione del minerale con un metallo assai attivo come alluminio, magnesio, silicio (metallurgia metallotermica);

mediante evaporazione del metallo e successiva condensazione;

per “distillazione frazionata” di metalli contenenti altri metalli, come impurezze.

I trattamenti pirometallurgici (utilizzati anche per le operazioni successive), i quali sottopongono il minerale a temperature comprese fra i 100 °C e i 3.000 °C, comprendono la fusione e la calcinazione.

La fusione può essere semplice oppure venire accompagnata da reazioni chimiche.

La calcinazione può essere anch'essa semplice o accompagnata da reazioni chimiche, nel qual caso è chiamata anche arrostimento.

L'idrometallurgia consiste in operazioni per via umida. Di meno frequente impiego rispetto alle precedenti operazioni dette per via secca, queste operazioni costituiscono altrettante fasi del ciclo di affinazione o di recupero di determinati metalli. Ad es., la soluzione di un minerale di rame solforato in presenza di cloruro ferrico lo trasforma in cloruro di rame solubile che viene successivamente fatto precipitare con opportuni mezzi chimici; l'amalgamazione è riservata al trattamento col mercurio dei minerali contenenti oro o argento allo stato nativo. Nelle operazioni per evaporazione la reazione consente di ottenere il metallo (ad es. zinco, magnesio) allo stato di vapore, vapore che viene poi condensato. E' anche possibile isolare metalli puri per distillazione frazionata, sfruttando la diversa temperatura di sublimazione dei metalli presenti (ad es. separazione del piombo e del cadmio dallo zinco impuro).
 

² Elaborazione del metallo

Comprende  varie operazioni: asportazione o, meglio, riduzione entro dati limiti di composizione degli elementi estranei (affinazione o, spesso, raffinazione); variazione del contenuto degli elementi accessori rispetto al metallo base così da rispettare il valore finale previsto (effettuata mediante raffinazione o, spesso, affinazione); aggiunta degli elementi leganti (alligazione).

La seconda operazione viene generalmente eseguita per scorificazione, ossia facendo ossidare le impurezze e facendole combinare con sostanze scorificanti (silice, calce, soda), per formare una scoria che galleggia alla superficie di un bagno contenente il metallo fuso. Si ha un esempio tipico di tale processo nella metallurgia del piombo.

L'alligazione ha lo scopo di realizzare, a partire dai metalli puri, delle leghe aventi proprietà particolari. Occorre effettuare la fusione dei metalli da introdurre nella lega in condizioni particolari per evitare perdite di metallo, ossidazione del bagno, inclusioni di impurezze nocive. Il procedimento comprende comunque, come fase finale, operazioni di affinazione e raffinazione. Per talune leghe refrattarie o che presentano notevoli difficoltà di fusione, si opera per diffusione dei metalli allo stato solido grazie alla sinterizzazione di polveri metalliche (carburi metallici, pseudoleghe di metalli poco miscibili, leghe per magneti).
 

² Operazioni di metallurgia fisica

I metalli e le loro leghe sono portati, dopo l'elaborazione, allo stato di semilavorati (barre, profilati, lamiere, ecc.) o allo stato di prodotto finito mediante vari procedimenti. Con la fonderia si realizzano, partendo da lingotti, la fusione dei metalli e delle loro leghe e la colata in forme, ottenendo i getti fusi.

La lavorazione plastica comprende varie operazioni sia a caldo, sia a freddo, alcune eseguite partendo dal lingotto, altre dal semilavorato: laminazione, fucinatura, stampaggio, imbutitura, trafilatura.

La saldatura permette l'unione di elementi metallici per fusione localizzata.
 

² Metallurgia delle polveri

Era conosciuta fin dall'antichità, soprattutto nella Mesopotamia; il minerale di ferro era ridotto con carbone di legna e l'agglomerato così ottenuto veniva fucinato. Industrialmente la metallurgia delle polveri ebbe origine nel 1909 e si sviluppò soltanto dopo il 1930, assumendo un'importanza considerevole nel corso della seconda guerra mondiale, principalmente nei paesi in cui il risparmio delle materie prime e la necessità di trovare nuovi procedimenti di elaborazione erano divenuti di capitale importanza (Germania). Le operazioni fondamentali del ciclo di lavorazione sono le seguenti:

a) Preparazione delle polveri metalliche. A seconda del metallo o della lega, a seconda delle caratteristiche volute per la polvere, e anche in base a determinate considerazioni economiche si impiegano: il procedimento elettrolitico, con deposito del metallo interessato sotto forma di polvere o di massa spugnosa, per elettrolisi in soluzione acquosa di un suo sale; il procedimento di atomizzazione; il procedimento di macinazione di frammenti di metalli friabili o resi fragili a tal fine; il procedimento chimico, sia di riduzione di ossidi, minerali, scaglie, a mezzo di gas riducente (a base di idrogeno o di ossido di carbonio), sia di decomposizione di carbonilmetalli, sia di decomposizione di un idruro (titanio, zirconio).

b) Pressatura delle polveri. Generalmente si comprime a freddo, a pressioni che possono raggiungere e superare 10 t/cm², una determinata quantità di polvere, miscelata talvolta con un lubrificante, in uno stampo che ha la forma del pezzo da costruire. Il pezzo così ottenuto è fragile, ma ha una coesione fra i grani sufficiente per poter essere manipolato.

c) Sinterizzazione. E' il riscaldamento del pezzo stampato, in atmosfera generalmente neutra o riducente a temperatura sempre inferiore al punto di fusione del metallo o della lega.

d) Operazioni successive. Il pezzo così ottenuto può essere sottoposto ad altre operazioni: calibratura, trattamenti elettrolitici, termici, ecc.

I campi di applicazione industriale della metallurgia delle polveri sono svariatissimi e possono dividersi in due categorie fondamentali: prodotti che non possono essere ottenuti altrimenti; prodotti ottenibili con grande vantaggio economico, ma che possono essere ricavati anche con tecniche diverse. La prima categoria comprende:

l• materiali e particolari porosi in cui dimensioni e numero dei pori siano controllabili: cuscinetti e anelli autolubrificanti, elementi filtranti, elementi composti per apparecchiature chimiche, costituiti da metalli, da sali, da ossidi (catalizzatori, piastre per particolari tipi di accumulatori, elettrodi);

l• materiali refrattari a elevato punto di fusione e poco duttili, ottenuti in forma ben precisa: elettrodi e filamenti per lampadine a incandescenza e per tubi elettronici. Fra gli altri, i filamenti di wolframio e di molibdeno per le lampadine sono stati realizzati dal 1909, per riduzione dell'ossido, compressione di polvere metallica, sinterizzazione di una barretta per passaggio di corrente elettrica, martellatura e trafilatura;

l• materiali a costituzione mista di particelle metalliche e non metalliche: leghe dure o diamantate per utensili, mole, filiere (carburi duri di wolframio, di cromo, di titanio, agglomerati da un legante a base di cobalto; particelle di diamante in una matrice di bronzo, di ferro, di nichel, ecc.); leghe grafitate (spazzole per collettori di motore in rame- grafite, giunti e cuscinetti in bronzo-grafite); materiali da frizione per dischi di frizione, ganasce di frenatura (in bronzo, piombo, ferro, silicio, grafite);

l• materiali per contatti elettrici e, principalmente, materiali cermet, utilizzati in aeronautica per la costruzione di palette e di particolari per reattori; pseudoleghe e leghe formate da metalli a punti di fusione fra loro molto distanti (wolframio-argento, wolframio-rame per contatti elettrici, wolframio-nichel-rame per leghe pesanti per masse di equilibratura, rame-piombo, bronzo ricco di piombo; ferro e acciaio al piombo per cuscinetti, anelli, ecc.); materiali di porosità preventivamente stabilita, per es. il nichel, per la fabbricazione di elettrodi porosi per accumulatori.

La seconda categoria comprende prodotti per cui la metallurgia delle polveri presenta vantaggi, in relazione all'economia di materiale o di una rilevante riduzione delle lavorazioni meccaniche, per produzioni in grande serie (particolari in bronzo, ottone, ferro, acciaio, metalli preziosi); alle difficoltà di lavorazione meccanica o di formatura (costruzione di magneti e di materiali magnetici complessi del tipo delle ferriti); alla purezza necessaria per i metalli o le leghe volute, in quanto la metallurgia delle polveri non richiede la fusione su crogioli che porta a inquinamenti (materiali magnetici e leghe speciali di zirconio, di titanio, di uranio).

² Trattamenti termici, termochimici, chimici o elettrolitici

I  metalli e le loro leghe possono essere sottoposti, sia nel corso della trasformazione, sia a pezzo finito, a trattamenti termici che, modificando profondamente la struttura interna del metallo o della lega, o anche la composizione chimica dello strato superficiale, permettono di ottenere caratteristiche meccaniche ben definite. I trattamenti chimici o elettrolitici hanno come scopo una modificazione superficiale del metallo, per decaparlo (per es. a mezzo di acidi) o per rivestirlo di uno strato di protezione.
 

v Prove sui prodotti metallurgici

Tutte le operazioni metallurgiche devono essere studiate, seguite, controllate con prove di laboratorio.

Le prove meccaniche vengono eseguite allo scopo di verificare la qualità dei metalli e delle leghe, in vista del loro impiego in complessi soggetti a sollecitazioni varie (trazione, compressione, flessione, taglio, abrasione, urto).

Le prove fisiche (analisi termica, radiografia, gammagrafia, esame della struttura cristallografica per diffrazione) consentono di seguire l'evoluzione di determinati trattamenti, o di controllare la purezza del materiale tramite l'incidenza che la presenza di impurezze può avere sulle caratteristiche fisiche (densità, conducibilità elettrica, coefficiente di dilatazione, modulo di elasticità).

La metallografia permette di conoscere la struttura e la costituzione macroscopica e microscopica dei campioni.

Le prove chimiche comprendono sia l'analisi chimica dei componenti, sia prove di corrosione, effettuate per studiare il comportamento dei metalli o dei rivestimenti metallici nei vari ambienti corrosivi.
 

v Sviluppi della metallurgia

Sono  stati realizzati recentemente numerosi miglioramenti, quali l'aumento della capacità produttiva di un grande numero di impianti, con aumento del grado di automazione: treni continui di laminazione, complessi siderurgici, altiforni; il miglioramento del rendimento di alcune operazioni come affinazione dell'acciaio all'ossigeno, sostituzione del coke (il cui approvvigionamento presenta difficoltà) con gas riducenti (ad es. il metano), riduzione diretta del minerale di ferro; lo sviluppo di taluni procedimenti mediante colata continua, estrusione, metallurgia delle polveri, trattamenti termici in atmosfere controllate; la produzione di metalli e di leghe le cui proprietà e caratteristiche meccaniche alle medie e alte temperature (leghe refrattarie) le rendano interessanti per le applicazioni nucleari dove devono resistere in ambiente corrosivo a irraggiamento neutronico; la produzione di metalli di alta purezza (metalli per semiconduttori, come il germanio e l'alluminio extrapuro) o di altissima resistenza a trazione (cristalli filiformi del diametro di qualche micron).