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Nozioni di base sui materiali

Composizione dei metalli: comprendere gli elementi che definiscono i metalli e le leghe

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Composizione dei metalli: comprendere gli elementi che definiscono i metalli e le leghe

La composizione di un metallo, ovvero gli elementi che lo compongono e le loro proporzioni, è ciò che determina in ultima analisi la sua classificazione, le sue proprietà e i suoi impieghi. In base alla composizione, i metalli vengono generalmente classificati in tre gruppi: metalli ferrosi, metalli non ferrosi e leghe.

Il gruppo dei metalli ferrosi è composto principalmente da ferro. Per ottenere le proprietà richieste, possono essere aggiunte piccole quantità di altri metalli o elementi, quali carbonio, manganese, nichel, cromo, silicio, titanio e tungsteno. I metalli non ferrosi, al contrario, non contengono ferro. Tra i metalli puri più comuni figurano l’alluminio, il rame, il piombo, lo zinco, lo stagno, l’argento e l’oro. Una lega è un nuovo metallo ottenuto mescolando insieme due o più metalli e, talvolta, altri elementi. I metalli più diffusi in assoluto includono il ferro, l’alluminio, il rame, il titanio, lo zinco e il magnesio.

Composizione e tipi di acciaio

Il ferro è il componente di base dell’acciaio. Quando al ferro si aggiunge carbonio, un non metallo, in quantità fino al 2,1%, si ottiene una lega nota come acciaio. Più in generale, l’acciaio è una lega di ferro e altri elementi, quali carbonio, manganese, fosforo, zolfo, nichel, cromo, tungsteno, niobio (columbio) e titanio. Ogni elemento aggiunto alla base di ferro influisce sulle proprietà dell’acciaio, e sono proprio queste aggiunte di lega a determinare molte delle differenze tra i vari tipi e gradi di acciaio.

In base al tenore di carbonio, gli acciai si suddividono in tre gruppi principali. Gli acciai a basso tenore di carbonio comprendono le designazioni da AISI 1005 ad AISI 1026, oltre agli acciai IF, HSLA, TRIP e TWIP. Gli acciai a medio tenore di carbonio vanno da AISI 1029 ad AISI 1053, mentre quelli ad alto tenore di carbonio vanno da AISI 1055 ad AISI 1095.

Secondo la norma EN, i gradi di acciaio sono invece suddivisi in diversi gruppi: acciai non legati (ad esempio, da EN DC01 a DC06, S235 e S275), acciai legati (ad esempio, 20CrMo4 e 25CrMo4), acciai inossidabili, acciai per utensili (ad esempio, DIN-EN 1.1545, AISI/SAE W110 e DIN-EN 1.2436 o AISI/SAE D6), acciai per lamiere e nastri, e acciai per lamierini e nastri magnetici (ad esempio, EN 1.0890 ed EN 1.0803).

Composizione e serie delle leghe di alluminio

L’industria dell’alluminio impiega l’alluminio sotto forma di leghe da fusione e da lavorazione plastica. Queste due classi possono essere ulteriormente suddivise in famiglie in base alla composizione chimica e alla designazione dello stato di trattamento. Secondo il sistema di designazione CEN comunemente accettato, i tipi di alluminio più comuni rientrano nelle seguenti serie:

  • Serie 1xxx: 1050, 1060, 1100, 1145, 1200, 1230, 1350
  • Serie 2xxx: 2011, 2014, 2017, 2018, 2124, 2219, 2319 e i gradi da fusione 201.0, 203.0, 206.0, 224.0, 242.0
  • Serie 3xxx: 3003, 3004, 3105 e i gradi da fusione 383.0, 385.0, A360, 390.0
  • Serie 4xxx: 4032, 4043, 4145, 4643
  • Serie 5xxx: 5005, 5052, 5083, 5086
  • Serie 6xxx: 6061, 6063
  • Serie 7xxx: 7075, 7050, 7049 e i gradi da fusione 710.0, 711.0
  • Serie 8xxx: 8006, 8111, 8079 e i gradi da fusione 850.0, 851.0, 852.0

Composizione e gruppi delle leghe di titanio

Le leghe di titanio sono raggruppate non tanto in base a un singolo elemento, quanto in base all’equilibrio di proprietà che la loro composizione conferisce. Modificando le aggiunte di lega, principalmente alluminio, vanadio, molibdeno, stagno, zirconio e palladio, il metallo si orienta verso una di tre categorie pratiche: resistenza alla corrosione, elevata resistenza meccanica o prestazioni ad alta temperatura.

Il gruppo resistente alla corrosione si basa sul titanio commercialmente puro (gradi da 1 a 4) e su varianti debolmente legate che aggiungono piccole quantità di palladio, oppure di molibdeno e nichel, per migliorare la resistenza in ambienti chimici aggressivi. Poiché in questo caso la resistenza meccanica non è la priorità, queste composizioni restano vicine al titanio puro. Esempi tipici sono i gradi Ti-Pd (7, 11, 16 e 17) e il Ti-0.3Mo-0.8Ni (grado 12), preferiti per l’industria chimica e le applicazioni marine.

Il gruppo ad alta resistenza introduce quantità maggiori di alluminio e vanadio, e spesso molibdeno, cromo o stagno, per aumentare la resistenza meccanica negli impieghi strutturali e portanti. La lega di riferimento di questo gruppo, e dell’intera industria del titanio, è la Ti-6Al-4V (grado 5). Altri esempi sono le leghe Ti-6Al-6V-2Sn, Ti-10V-2Fe-3Al e Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al, tutte sviluppate per offrire un’elevata resistenza mantenendo la leggerezza tipica del titanio.

Il gruppo per alte temperature è progettato per mantenere la resistenza e resistere allo scorrimento viscoso (creep) a temperature elevate, caratteristiche che rendono queste leghe adatte ai componenti dei motori e ad altre parti esposte al calore. Le loro composizioni combinano tipicamente alluminio e stagno con zirconio, molibdeno e piccole aggiunte di silicio, che migliorano la stabilità alle alte temperature. Tra i gradi rappresentativi figurano la Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo, la serie IMI, come IMI 685 e IMI 834, e il TIMETAL 1100.

Composizione e purezza dell’oro

La purezza, o finezza, dell’oro in gioielleria è indicata dal numero di carati. L’oro a 24 carati (24K) è la classificazione più pura dell’oro per gioielleria. Noto anche come oro fino, ha una purezza superiore al 99,7%. L’oro “proof” è ancora più fine, con una purezza superiore al 99,95%, ma viene utilizzato solo a fini di standardizzazione e non è disponibile per la gioielleria.

Composizione del rame: ottoni e bronzi

Le forme più diffuse di rame e delle sue leghe sono gli ottoni e i bronzi. L’ottone è una lega di rame e zinco contenente tra il 5% e il 42% di zinco, come CuZn28, CuZn37 e CuZn42. Il suo nome tedesco è Messing (ad esempio, Ms58 corrisponde a CuZn42) e gli ottoni sono solitamente di colore giallo.

Il bronzo è una lega di rame con altri metalli. Il più comune è lo stagno (ad esempio, CuSn6, CuSn10 e CuSn14), seguito dal fosforo (ad esempio, PB1C, PB4C, PB3 e LPB1C) e dal manganese (ad esempio, HTB1, HTB2 e HTB3), ma i bronzi possono contenere anche alluminio (ad esempio, AB1C e AB2C) e piombo (ad esempio, LG1C, LG2C e LG3C).

Scopri di più sulle serie dei Metalli

La composizione dei metalli è solo una delle parti che consentono di comprendere come i materiali vengono definiti, confrontati e selezionati. Per avere un quadro completo, consulta gli articoli correlati della nostra serie dedicata ai metalli. Scopri come vengono descritti i comportamenti fisici e meccanici dei materiali nella sezione “Proprietà dei metalli” e approfondisci le modalità di classificazione dei materiali in famiglie nella sezione “Gradi dei metalli”. Comprendete i documenti che definiscono i materiali nella sezione "Specifiche dei metalli" e i quadri normativi concordati che li regolano nella sezione "Standard dei metalli". Infine, scoprite come le designazioni dei diversi sistemi vengono messe in relazione tra loro nelle sezioni "Equivalenze dei metalli" e "Riferimenti incrociati". Insieme, queste guide collegano composizione, proprietà, tipologie, specifiche, Norme ed equivalenze in un unico riferimento interconnesso.

Domande frequenti (FAQ)

In che modo la composizione dei metalli viene utilizzata per classificarli?

I metalli vengono classificati in base alla composizione in tre gruppi: i metalli ferrosi, costituiti principalmente da ferro; i metalli non ferrosi, che non contengono ferro; e le leghe, formate dalla combinazione di due o più metalli o elementi. Gli elementi specifici presenti e le loro proporzioni determinano le proprietà di ciascun metallo.

In che modo il contenuto di carbonio influisce sulla composizione dell'acciaio?

Aggiungendo carbonio al ferro in quantità fino al 2,1% si ottiene l'acciaio. Il tenore di carbonio viene utilizzato per definire tre gruppi principali: acciai a basso tenore di carbonio (da AISI 1005 a 1026), acciai a medio tenore di carbonio (da AISI 1029 a 1053) e acciai ad alto tenore di carbonio (da AISI 1055 a 1095). Altri elementi, quali manganese, cromo e nichel, ne modificano ulteriormente le proprietà.

In che modo le leghe di alluminio vengono classificate in base alla composizione?

L'alluminio viene utilizzato sotto forma di leghe da fusione e da lavorazione, che a loro volta si suddividono in serie in base ai principali elementi di lega, dalla serie 1xxx (alluminio essenzialmente puro) fino alla serie 8xxx. Ciascuna serie offre un equilibrio specifico di proprietà.

Qual è la differenza tra ottone e bronzo in termini di composizione?

L'ottone è una lega di rame e zinco contenente una percentuale di zinco compresa tra il 5% e il 42% e di colore solitamente giallo. Il bronzo è una lega di rame con altri metalli, più spesso stagno, ma anche fosforo, manganese, alluminio o piombo.

Cosa indica il numero di carati riguardo alla composizione dell'oro?

Il numero di carati indica la purezza, o finezza, dell’oro. L’oro a 24 carati (puro) ha una purezza superiore al 99,7%, il che lo rende la classificazione più pura utilizzata in gioielleria. L’oro “proof”, con una purezza superiore al 99,95%, viene utilizzato solo a fini di standardizzazione e non è disponibile per la gioielleria.