TECNOLOGIA DEI METALLI
tecniche

    
Metodo diretto e indiretto - Quando diciamo ferro semplicemente, oppure ferro omogeneo, intendiamo un acciaio dolcissimo con la percentuale di carbonio inferiore allo 0,2%.
Mentre la fabbricazione della ghisa risale alla fine del medio evo, la fabbricazione del ferro saldato risale ad epoche preistoriche: fino a quando la ghisa non fu scoperta, il ferro si fabbricò direttamente dal minerale e perciò il suo metodo di fabbricazione si chiama metodo diretto.    
Dopo la scoperta della ghisa la fabbricazione del ferro e di qualunque tipo di acciaio è stata fatta partendo dalla ghisa e quindi il suo metodo  di  fabbricazione si chiama metodo indiretto.    
Il metodo diretto si trova ancora in uso presso qualche popolo selvaggio.
Esso consiste nel mescolare in un focolare, che si chiama basso fuoco, una certa quantità di minerale e di carbone di legna e nel lanciarvi di sotto un forte getto di aria.
Il carbone compie in questo caso le prime due funzioni che abbiamo visto compiere nell’alto forno, cioè una parte brucia innalzando la  temperatura del forno e un'altra parte riduce l’ossido di ferro in ferro spugnoso.
Il carbone, a causa della forte quantità di aria non ha la possibilità di legarsi col ferro per formare la ghisa, come avviene nell'alto forno e quindi non ha luogo la fase di carburazione che avviene in questo, e perciò in fondo al focolare si raccoglie una massa di ferro spugnoso, carica di ossido di ferro che viene portata sotto i magli e battuta, per modo che, mentre la massa metallica prende forma di barra, saldandosi nelle sue parti, donde la denominazione di ferro saldato, l'ossido di ferro contenuto in essa schizza in buona parte fuori.
Durante il processo il materiale viene rimescolato nel forno con speciali uncini di ferro detti riavoli perfar avvenire le reazioni, ma a misura che il ferro spugnoso si forma la manovra di rimescolamento diventa sempre più difficile.    
Il  metodo  indiretto della fabbricazione del ferro saldato, partendo dalla ghisa, cominciò dalla scoperta di questa, alla fine del medio evo, e continuò fino alla fine del 18° secolo, collo stesso tipo di forno detto basso fuoco, che abbiamo esaminato precedentemente. 
Sopra uno strato di carbone di legna ardente, tenuto acceso da un forte getto di aria, si disponeva uno strato di ghisa; questa fondeva e investita dal forte getto di aria si decarburava trasformandosi in ferro spugnoso e pastoso, perché la temperatura del forno non era sufficiente da ottenere il ferro allo stato liquido.
Questo ferro spugnoso si lavorava poi come il precedente portandolo sotto il maglio dove le varie spugne venivano tirate sotto forma di barre e la scoria di ossido di ferro schizzava fuori.
Questo metodo di fabbricazione è ora, benché molto raramente, usato nella Svezia dove il carbone di legna è relativamente a buon mercato.    
Puddellatura - Furono fatti dei tentativi per sostituire al carbone di legna il carbone minerale e il coke nella fabbricazione del ferro saldato col metodo indiretto; ma questi tentativi dettero un ferro molto scadente, perché molta parte dello zolfo e del fosforo, contenuti nel carbone passava nel ferro e lo rendeva così fragile da essere inservibile.
Verso la fine del 18° secolo fu studiato in Inghilterra un tipo di forno detto a riverbero, in cui venne usato direttamente il carbone fossile a lunga fiamma (litantrace) e si chiamò per questa applicazione forno di puddellatura; con questo tipo di forno la ghisa, da trasformarsi in ferro, veniva solo a contatto con le fiamme del carbone  minerale, e veniva così evitato l’inquinamento dello zolfo e del fosforo nella massa.
Questo forno, fig. 3, è costituito da una camera A in cui brucia il  combustibile  caricato  sopra una  griglia e investito da una corrente d' aria, che entra dal di sotto, e una camera B a fianco, detta  laboratorio,  sul cui  fondo,  detto suola, si carica la ghisa da trasformare, che viene investita  dalle fiamme sviluppate nella camera attigua e riscaldata direttamente da esse e dal riverbero di 'calore che emana la volta del laboratorio, investita più direttamente dalle fiamme.
Per questa ragione questi forni si chiamano forni a riverbero. 


La parete laterale  del  laboratorio  è  di ghisa  rivestita di materiale refrattario: essa è percorsa internamente da un canale e che permette la circolazione dell'acqua di raffreddamento della stessa parete.
Ognuna delle due camere ha una porta, la prima per introdurre il combustibile, e la seconda per introdurre la ghisa da trasformare e per estrarre il ferro formato.
I prodotti gassosi della combustione escono poi dal laboratorio per andare al camino.    
Il  forno  è  tutto  rivestito  di  materiale  refrattario  e  la  suola è formata di battiture di ferro, che sono le scaglie di ossido di ferro che schizzano battendo col maglio le masse di ferro spugnoso, e da minerale di ferro; quest'ossido di ferro facilita la decarburazione della ghisa, perché l’ossigeno dell' ossido di ferro si unisce col carbonio della ghisa e forma l’anidride carbonica che se ne va al camino coi gas della combustione: la decarburazione della ghisa è completata dall'ossigeno dell'eccesso d'aria trascinata dalle fiamme.
Anche in questi forni si rimescola la massa cogli uncini chiamati riavoli e si ottiene la massa di ferro spugnoso che si porta ai magli al solito per saldarla meglio e per far schizzare la scoria. 
Questa operazione di rimescolamento ha fatto nascere la denominazione di puddellatura, parola di origine inglese che significa rimescolare.    
La maggior parte di tutte queste barre, ottenute tirando sotto il maglio il ferro spugnoso, ottenuto sia col metodo diretto che col metodo indiretto e proveniente dalla puddellatura, viene utilizzata per produrre il cosidetto ferro saldato a  pacchetto, che si ricava caricando in un forno parecchie di queste barre legate tra loro a un estremo tenuto freddo fuori del forno e mescolate con rottami di ferro vecchio; esse sono portate sotto il maglio quando sono alla temperatura di saldatura; sotto il maglio queste varie barre si saldano tra loro, mentre la scoria viene schizzata fuori: la qualità del ferro viene così sensibilmente a essere migliorata.   
Se nella operazione di puddellatura  noi arrestiamo la  decarburazione della ghisa, per modo che una certa quantità di carbonio rimanga nella massa metallica, allora avremo l’acciaio puddellato invece del ferro puddellato; all’acciaio puddellato si applica, come al ferro, il processo di saldatura per avere l’acciaio saldato.(…)                          

CEMENTAZIONE - Coi metodi precedentemente descritti si fabbrica l’acciaio ottenendolo allo stato pastoso o allo stato liquido dalla ghisa. Esamineremo ora un altro metodo di ottenere l'acciaio che ha importanti applicazioni nell'industria e che consiste nell'ottenere l'acciaio allo  stato solido.
Essendo l’acciaio un prodotto più carburato del ferro e meno carburato della ghisa, possiamo ottenere l’acciaio o carburando il ferro o decarburando la ghisa.
Nei due casi si fa uso  di polveri speciali differenti, che si chiamano cementi e perciò il  procedimento di fabbricare l'acciaio allo stato solido si chiama anche cementazione, che a sua volta si chiama carburante se ha  per scopo di carburare il ferro o decarburante se ha per scopo di  decarburare la ghisa.
La ghisa così decarburata acquista le proprietà tecnologiche dell'acciaio, tra le quali la malleabilità e perciò il prodotto ottenuto si chiama ghisa  malleabile, per ricordare  il  processo di fabbricazione.     
Cementazione carburante - II cemento usato in questo caso è una polvere ricca di carbonio, che può essere costituita da una delle seguenti sostanze o da una miscela di esse: carbone di legna, o meglio ancora, carbone animale, ottenuto dalla carbonizzazione di sostanze animali, come ossa, unghie, cuoio, ecc. carbonato di bario e cianuro di potassio.
Quest' ultimo è il più energico; basta metterne un pò di polvere sul ferro rovente che subito si forma sulla superficie uno strato di ferro molto carburato e quindi di acciaio: si usa questo metodo per indurire le facce esterne dei martelli, le punte degli scalpelli ecc.
Si può anche allo stesso scopo investire la parte da carburare con l'estremità carburante, che è la zona bleu, di una fiamma a gas, e questo metodo è usato per indurire le estremità delle sagome che sono soggette a usura 
La carburazione avviene a temperatura conveniente, dai 900° in su: il carbonio forma col ferro il carburo di ferro e questo si scioglie allo stato  solido nel  ferro degli  strati superficiali  del  pezzo 
La profondità di questi strati dipende dalla natura del cemento dalla temperatura dei pezzi soggetti all'operazione e dalla durata di questa.
La cementazione si esegue mettendo i pezzi da cementare in una cassetta di ghisa o di ferro in lamiera, non a contatto tra di loro, ma immersi nella polvere cementante.
Lacassetta viene poi chiusa da un coperchio e vengono chiuse tutte le connessure con argilla impastata con acqua per evitare che l'ossigeno dell’aria possa entrare nella cassetta e bruciare il cemento, togliendogli la proprietà carburante.
Il coperchio presenta dei fori attraversoi quali passano delle bacchette a dello stesso ferro da cementare che vengono di tanto in tanto tirate fuori, immerse nell'acqua e spezzate: si vede così facilmente a quale profondità è penetrata la carburazione.                                          .    
Il  processo di carburazione ha due fini perfettamente distinti.
O si vuole trasformare tutta la massa del ferro in acciaio o solo uno strato superficiale.
Nel primo caso. i pezzi sono barre sottili, perché la carburazione avvenga più facilmente, di spessore non superiore a 2 cm.; la temperatura del forno è di circa 1000° e la durata è di parecchi giorni, secondo lo spessore delle barre: per uno spessore di circa 2 cm. si richiede quasi una settimana di calore  continuo.

Il  raffreddamento si fa avvenire lentamente chiudendo il forno e spegnendo il fuoco.
Questo processo, che riesce molto costoso, per il consumo di combustibile e per il tempo impiegato, è ancora usato, ma non molto, per ottenere acciai di ottima qualità perché il carbonio che si introduce è puro.
L' acciaio cementato viene poi adoperato per la rifusione nei crogiuoli dove si affina ancora come abbiamo visto.    
Ma il processo di carburazione è più che altro usato per ottenere uno strato esterno di acciaio duro, lasciando l'interno del pezzo dell'acciaio dolce da cui si è partiti.
In questo caso la durata del riscaldamento varia dalle 4 alle 8 ore. 
La  necessità di avere un pezzo che sia duro sulla superfice esterna e dolce all’interno è imposta dalla necessità per alcuni pezzi che siano resistenti all’ usura esternamente e resistenti agli  urti colla loro massa  interna. 
Questo processo perciò si applica a pezzi quasi finiti di lavorazione, come perni, ingranaggi ecc.
Lo spessore dello strato di acciaio raggiunge un millimetro o poco più, e il materiale da asportare colla rettifica, che si fa alla mola, per la eccessiva durezza dovuta alla cementazione e alla tempera, deve essere sempre di meno dello  strato stesso.     
Nella figura 14 è rappresentata una serie di ruote d’ingranaggio  coi denti quasi finiti di lavorazione, i quali devono essere cementati mentre le altre parti non devono esserlo: perciò solo i denti sono immersi nel cemento carburante, mentre le altre parti sono immerse nell' argilla che è una sostanza inerte.
I forni non hanno  nulla di particolare; la temperatura dei 1000° è facilmente raggiungibile, preme soltanto l'economia del combustibile: possono essere a carbone o a gas, con ricuperatori o senza; un tipo di forno buono è quello che descriveremo per la cementazione decarburante.      
Cementazione decarburante - Questa si applica a pezzi  di ghisa che hanno già avuto dalla fusione, salvo la lavorazione a  freddo la loro forma definitiva: si tratta di solito di pezzi piccoli, come raccordi di tubi, chiavi ed altri attrezzi, i quali non conviene fabbricarli di acciaio fucinato perché risultano molto costosi, né di   acciaio fuso, perché i getti di ghisa si ottengono molto  più facilmente.
La ghisa da decarburare è sempre la ghisa bianca e non la grigia, giacché la prima, contenendo carbonio allo stato di carburo di ferro e non di grafite come la seconda, si lascia decarburare più facilmente.
La decarburazione comincia dagli strati più esterni e va gradatamente verso il centro del pezzo: l’operazione dura parecchi giorni secondo lo spessore del pezzo, che ordinariamente non deve superare i 25 mm.: la temperatura del forno è compresa tra 800° e 900°.

Il cemento usato è ossido di ferro che può essere o il minerale di ferro o la scoria di fucinatura.
La reazione  è quella solita che avviene anche nel processo Martin; differisce perché avviene allo stato solido invece che allo stato liquido. L'ossigeno dell' ossido di ferro si combina col carbonio della ghisa, forma l’ossido di carbonio che esce, essendo un gas, dalla parte superiore della cassa, che in questo caso non deve essere chiusa ermeticamente come nella cementazione carburante.
La decarburazione avviene quindi per un processo di ossidazione e perciò la cementazione decarburante si chiama anche cementazione ossidante.    
Le casse usate hanno forma cilindrica con diametro da 500 a 1000 mm. ed altezza eguale, e si dispongono in vario modo secondo la grandezza del forno, che può essere a gas o a carbone.
Un tipo di forno a carbone è quello indicato in fig. 15, in cui, introdotte nel forno le casse, attraverso un vano nella parete, questo viene murato. Il combustibile viene caricato dalle porte sulla griglie disposte secondo tutta la lunghezza del forno.
Dai condotti f entra l'aria, che fa bruciare il carbone caricato sulle griglie; i prodotti della  combustione seguono il cammino delle frecce e dopo aver riscaldato le casse vanno al condotto h che va al camino.                          
ACCIAI SPECIALI -  Acciai speciali sono quelli che differiscono dagli acciai comuni o acciai al carbonio, perché, oltre il ferro e il carbonio, altri  elementi entrano a formare la lega e questi elementi non sono impurità casuali ma aggiunti di proposito con lo scopo di fare acquistare alla lega speciali proprietà. 
Il  valore  di  questi  acciai  può  essere molto rilevante, sia per l’elevato costo degli elementi che si aggiungono sia perché nella maggior parte sono acciai fabbricati  in crogiuoli, che è il metodo di fabbricazione più costoso. 
Questi  acciai differiscono dagli acciai comuni, e anche tra di loro, sia per  le proprietà meccaniche e tecnologiche, sia  per il  modo  di comportarsi alla tempera, per il fatto che alcuni di essi si temperano  molto differentemente dagli acciai comuni e altri non si temperano affatto, cioè sono naturalmente duri, cioè sono duri in ogni caso, sia se raffreddati lentamente sia se raffreddati bruscamente. 
Gli acciai speciali hanno in commercio i nomi più svariati: i più importanti sono i seguenti:
Acciai a basso (3% a 10%) o a medio (circa 25%) tenore di  Nichel: questo metallo aumenta molto la tenacità, cioè la resistenza all’ urto, dell’acciaio.
Quello a basso tenore è adoperato perparti di macchine, grandi o piccole, che sono soggetti a grandisforzi: è anche usato per fabbricare stampi.  Si  fabbricano ruote dentate che si assoggettano, dopo la lavorazione, alle cementazione carburante: è un acciaio temperabile.    
Acciaio ad alto tenore di Nichel (Ni 3%): si chiama Invar, perché non si dilata quasi affatto, come il vetro, col calore: è inossidabile come l’acciaio al 25% ed è molto usato per strumenti scientifici di misura di alta precisione.    
Acciaio al cromo: contiene dall'1% all’1,5% di cromo e può contenere eguale percentuale di carbonio per la fabbricazione delle sfere e dei cuscinetti a sfera, oppure può contenere circa lo 0,7% di C per la fabbricazione dei buoni scalpelli:  è temperabile.
Il cromo conferisce all’acciaio in modo particolare la durezza, e siccome con questa è accompagnata la fragilità, affinchè questa sia diminuita, si fa uso di acciaio al cromo nickel.    
Acciaio rapido: contiene, oltre una media percentuale di C, dal 12% al 30%, di volframio e dall'1% al 8% di C,.
Si chiama rapido, perché può lavorare i metalli con una velocità di lavoro fino a cinque volte superiore all’acciaio al carbonio, giacché col riscaldamento dovuto alla grande velocità non perde la tempera, che si ottiene riscaldandolo al giallo (circa 1200°) e spegnendolo nell' olio o al vento.    
Acciaio al manganese: contiene circa il 12% di manganese (Mn) e si chiama anche acciaio Hadfield che è il nome del suo inventore: è naturalmente duro, perciò non si tempera e non si può lavorare che con le mole: si fondono con esso gli scambi tramviari, le cucchiaie delle norie che raschiano il fondo del mare ecc.    
Acciaio al silicio: è utilizzato per la fabbricazione delle molle e per i lamierini delle macchine elettriche: contiene dall'1,2% all’1,5% di silicio.                
CENNO SUGLI ALTRI METALLI    
Le leghe siderurgiche finora studiate sono le più importanti per essere quelle molto più largamente usate nell' industria di tutte le altre complessivamente.
Le altre leghe che esamineremo fondono a temperatura inferiore ai 1000°, danno getti sani, senza soffiature e sono molto resistenti agli agenti atmosferici e all'acqua marina: queste sono le principali ragioni per cui esse sono preferite all’ acciaio e alla ghisa: sono però sensibilmente e alle volte molto più costose dell'acciaio comune.
In generale queste leghe si fondono nei crogiuoli eguali a quelli usati per l'acciaio, benché non sia necessario che essi siano così refrattari.
Il forno a crogiuoli più comune è quello rappresentato in fig. 9.
Il crogiuolo appoggia sopra una griglia, non direttamente, ma a mezzo di un pannello refrattario che impedisce all'aria fredda, che attraversa la griglia, di investire il fondo che potrebbe così screpolarsi.
Il combustibile usato è il coke che circonda e copre in parte il crogiuolo: le frecce indicano il cammino dell'aria fino al carbone e poi il cammino dei prodotti della combustione.
In genere questi forni a crogiuoli sono distribuiti in fila, o, come si dice anche, in  batteria: la canna di camino si trova all’estremo delle file.  Faremo un breve cenno delle leghe industriali più importanti e dei metalli  che  concorrono a formarle, fermandoci sulle loro proprietà tecnologiche.
Rame - II rame è molto tenace a caldo e a freddo; allo stato liquido non è molto scorrevole e perciò non adatto al getto: con qualche aggiunta di piombo, di zinco o di stagno diventa facilmente scorrevole.
Dopo la laminazione raggiunge quasi la resistenza del ferro dolce e un allungamento superiore a questo.
Ordinariamente viene fucinato a freddo dai cosiddetti ramai che ne fanno dei recipienti. 
In  seguito al martellamento si incrudisce, cioè diventa duro e fragile: esso presenta il fenomeno della tempera negativa, cioè, contrariamente all’acciaio, diventa duro e fragile col lento raffreddamento, e si raddolcisce spegnendolo in acqua fredda da una temperatura di circa 600°.
Fonde a 1050": ha un peso specifico di 8,9, resiste molto bene agli agenti atmosferici coprendosi di un sottile strato di ossido di rame: conduce molto bene il calore  e l’elettricità e viene subito dopo  l’argento per riguardo a tali proprietà.
Per questo e per la sua grande duttilità viene trafilato in fili anche molto sottili.                 
Stagno - Lo stagno è molto caro: è quattro volte più caro del rame, che a sua volta è quattro volte più caro dell' acciaio comune: puro è raramente usato.
Si usa con esso di stagnare gli oggetti di cucina, di rame, perché molto più resistente agli agenti chimici.
È malleabilissimo per modo da ottenerlo in fogli sottilissimi come nella stagnola che spesso contiene anche del piombo, e serve a conservare saponi, cioccolata ecc.
Serve a fabbricare la latta che non è altro che un lamierino di ferro rivestito, per effetto della immersione in un bagno, di un sottilissimo strato di stagno che preserva il ferro dalla ruggine.
Fonde a 230°: ha un peso specifico eguale a 7,3.    
Zinco - Lo zinco è uno dei metalli più a buon mercato: costa poco più del piombo: ha il peso specifico eguale a 7.
Resisteagli agenti atmosferici dopo essersi coperto di una patina sottile di ossido di zinco che protegge la massa  del  metallo. 
Fonde a 412° ed è molto scorrevole, è quindi molto adatto al getto: viene perciò usato per getti ornamentali di poco valore. È malleabile per modo da ridursi in fogli solo a temperatura compresa tra 130° e150° e serve per la copertura dei tetti, grondaie ecc.    
Piombo - È uno dei metalli più teneri e più pesanti; peso specifico eguale a 11,3: fonde a 330°. Si copre anch'esso di unostrato d'ossido di piombo che protegge la massa del metallo, come il rame e lo zinco. 
È  molto  resistente  agli  acidi, specialmente allo acido solforico.
È molto usato per la fabbricazione dei tubi  per acqua, che sono ottenuti per fusione, e delle piastre per accumulatori.    
Nickel - Fonde a 1450°: è usato per la nickellatura, nelle leghe per le monete, negli acciai speciali: da solo fonde male, ma coll’aggiunta di alquanto magnesio fonde bene per fabbricare oggetti da cucina e da tavola.    
Alluminio - Fonde a 700° e ha un peso specifico bassissimo:2,6.
Viene usato in sostituzione del ferro perché molto più leggiero e più resistente ai reagenti chimici; ma è meno resistente e più caro di esso.
Si ottengono dei getti molto buoni.    
Antimonio - Fonde a 450": ha un peso specifico di 6,7.
Èmolto duro e fragile e perciò non viene mai usato solo.    
Leghe a base di rame - II bronzo è una lega di rame e stagno.
Il bronzo per cannoni contiene il 10% di stagno ed è molto resistente.
Il bronzo per campane contiene il 20% di stagno ed è molto duro.
Il bronzo artistico contiene poco stagno, notevole quantità di zinco e alquanto piombo.
Il bronzo per organi di macchine, come per i cuscinetti, contiene intorno al 15% di stagno, il quale conferisce alla lega resistenza e durezza; lo stagno è parzialmente sostituito dallo zinco nelle leghe più a buon prezzo e più tenere.
I cosiddetti bronzi fosforosi non contengono di fosforo che appena una traccia; sono fabbricati con rame fosforoso, perché il fosforo disossida il bagno e si ottengono così getti più sani; il fosforo passa così nella scoria.
Lo stesso effetto del fosforo è prodotto dal manganese e si hanno così bronzi al manganese.    
I bronzi d'alluminio contengono l'alluminio al posto dello stagno e sono, a pari percentuale, più resistenti, più duri e anche più fragili dei bronzi allo stagno.    
Ancora più importante dei bronzi sono tra le leghe di rame,gli ottoni che sono leghe di rame dal 50% all’ 80% e di zinco dal 50% al 20 %.
Gli ottoni sono meno resistenti e meno duri dei bronzi, ma hanno maggior allungamento e sono perciò  malleabili fino a poter essere laminati  sotto forma di lamiere e duttili fino ad essere ridotti in fili; sono anche più fusibili e più adatti al getto dei bronzi e anche più a buon mercato a causa della grande differenza di prezzo tra stagno e zinco.
Altra lega di rame e zinco è il tombacco che contiene 10—20% di zinco, con una piccola quantità di stagno per aumentare la durezza.
Il metallo delta contiene oltre il rame, stagno, zinco anche del ferro: ha una temperatura di fusione di 900°, si fucina bene e ha una resistenza eguale a quella d' un ottimo acciaio.    
Leghe a base di stagno - II Britannia che contiene circa il 90% di stagno, il 7% di antimonio e il 3% di rame è usato per fabbricare oggetti casalinghi; una varietà di esso, detto metallo bianco, serve per i cuscinetti a causa della durezza.
Un'altra lega,detta anche metallo bianco, usato per la fabbricazione dei cuscinettie più a buon prezzo, è formato di 85% d1 zinco, 10% di antimonio e 5% di rame.
Il cosiddetto metallo di antifrizione è formato di 76% di zinco, 18% di stagno e 6% di rame.