Applicazioni con metalli e leghe
I metalli utilizzati come materiali devono soddisfare determinati requisiti a seconda dell’uso a cui sono destinati. Solo se proprietà come durezza resistenza, espansione termica, conducibilità termica o il comportamento all’ossidazione e alla corrosione corrispondono alle condizioni di utilizzo, è possibile garantire la massima durata e una lunga vita utile.
Poiché questo limita fortemente l’ utilizzabilità dei metalli puri, questi vengono spesso legati con altri metalli, semimetalli o non metalli. Questi metalli misti, noti anche come leghe, sono caratterizzati da migliori proprietà dei materiali e quindi ampliano notevolmente la gamma di applicazioni.
Tecnologia di misurazione fisica come analisi termica differenziale microscopia di riscaldamento, calorimetria a scansione differenziale o la termogravimetria permettono di analizzare il comportamento metallurgico del ferro, della ghisa, dell’acciaio e di altri metalli e leghe in relazione alle seguenti domande o a domande simili:
- In che misura un metallo conduce il calore e/o l’elettricità?
- Qual è l’effetto meccanico o chimico di determinate temperature su un metallo o una lega?
- Come cambia il calore specifico all’aumentare della temperatura?
- A quale temperatura avviene l’ossidazione della superficie del metallo?
- Quando una lega metallica è in equilibrio di fase?
Transizioni di fase il punto di cristallizzazione Il punto di cristallizzazione, il cambiamento degli stati aggregati e la stabilità termica dei materiali di partenza per lamiere, substrati e altri prodotti metallurgici possono essere studiati anche con metodi di misurazione fisica. Lo stesso vale per le capacità termiche specifiche, coefficienti di espansione lineare e il punto di fusione .
LINSEIS sviluppa e produce sistemi di misurazione termoanalitica che possono essere utilizzati in molti altri settori, tra cui la metallurgia. I campi di applicazione più importanti sono la ricerca, lo sviluppo del prodotto e i test di qualità.
Materiali chiave per la tecnologia e l'industria
Le leghe sono materiali metallici che svolgono un ruolo centrale nella tecnologia e nell’industria moderna. Vengono create combinando almeno due elementi, uno dei quali è sempre un metallo. Combinando metalli e non metalli, è possibile creare materiali personalizzati con proprietà specifiche, indispensabili per molte applicazioni. Oltre ai metalli, anche i non metalli giocano un ruolo decisivo nell’ottimizzazione delle leghe.
Composizione e produzione di leghe
Le leghe vengono create fondendo insieme i componenti ad alte temperature. I componenti vengono mescolati in forma liquida e poi raffreddati, creando un reticolo metallico comune.
La velocità di raffreddamento può avere un’influenza decisiva sulle proprietà del prodotto finito. Oltre ai metalli, possono essere utilizzati come elementi di lega anche non metalli o semimetalli come carbonio, boro o silicio, che possono influenzare in modo significativo le proprietà della lega.
Proprietà delle leghe
Le leghe hanno spesso proprietà più favorevoli rispetto ai metalli di partenza. I vantaggi più importanti che si possono ottenere con la formazione di leghe sono
- Aumento della durezza
- Forza migliorata
- Maggiore elasticità
- Maggiore resistenza alla corrosione
Queste proprietà migliorate rendono le leghe un componente indispensabile per numerose applicazioni tecniche, in particolare nell’industria automobilistica, nell’edilizia e nell’elettronica.
Tipi di leghe
Le leghe si dividono in leghe omogenee ed eterogenee:
- Leghe omogenee: In questo caso, tutti gli atomi sono distribuiti uniformemente nel reticolo. Ne sono un esempio le leghe rame-oro o rame-argento. I singoli componenti non si distinguono più l’uno dall’altro, nemmeno al microscopio.
- Leghe eterogenee: I componenti sono distribuiti in modo non uniforme, non si forma un reticolo atomico comune. Questo porta alla presenza di fasi microscopiche o addirittura macroscopiche. Un esempio è la lega stagno-piombo.
Leghe importanti e loro applicazioni
Legierung | Hauptkomponenten | Verwendung |
|---|---|---|
| Bronze | Kupfer, Zinn | Kunstgegenstände, Werkzeuge |
| Messing | Kupfer, Zink | Elektronische Bauteile, Modeschmuck |
| Stahl | Eisen, Kohlenstoff | Maschinen, Autos, Schienen |
Influenza della temperatura sulle leghe
Le temperature hanno una notevole influenza sulle proprietà delle leghe. L'aumento delle temperature provoca cambiamenti nella struttura cristallina e nelle proprietà meccaniche:
- Struttura cristallina e fasi: A determinate temperature si verificano trasformazioni di fase che influenzano il comportamento meccanico della lega. Queste trasformazioni possono modificare la distribuzione e le dimensioni dei precipitati e delle fasi all’interno della lega.
- Proprietà meccaniche: la resistenza e la durezza diminuiscono con l’aumentare della temperatura, mentre aumentano la duttilità e la malleabilità. A temperature molto elevate può verificarsi il creep, una lenta deformazione plastica sotto carico costante.
- Diffusione e mobilità atomica: le temperature più elevate aumentano la mobilità atomica, favorendo i processi di diffusione e riducendo le tensioni nel materiale. Questo può portare a un inasprimento della microstruttura, che influisce sulle proprietà meccaniche di una lega. Allo stesso modo, la diffusione di atomi estranei, ad esempio in contatto fisico con un altro componente, può dare origine a una lega mista quando viene esposta alla temperatura, il che di solito porta a cambiamenti imprevisti nelle proprietà.
Temperatura e comportamento di fusione delle leghe
Il punto di fusione delle leghe è spesso inferiore a quello dei metalli puri. Questo abbassamento del punto di fusione si verifica a causa delle distorsioni reticolari e dell’aumento dell’entropia nella fase liquida.
L‘entropia si riferisce al grado di disordine di un sistema. Nella fase liquida di una lega, ci sono più modi in cui i diversi tipi di atomi possono disporsi, il che aumenta l’entropia.
Questo aumento di disordine stabilizza la fase liquida e abbassa il punto di fusione della lega. Il punto di fusione esatto dipende da diversi fattori:
- Composizione: la percentuale di elementi di lega influenza il punto di fusione. Ad esempio, il punto di fusione dell’acciaio varia tra i 1425°C e i 1540°C a seconda del contenuto di carbonio.
- Elementi di lega: diversi additivi influenzano il punto di fusione. Il cromo lo innalza, mentre il nichel lo abbassa.
- Impurità: Le impurità possono abbassare il punto di fusione di una lega perché alterano la struttura reticolare.
Inoltre, le variazioni di temperatura influenzano il comportamento di fusione delle leghe attraverso le trasformazioni di fase o l’insorgere della superplasticità, che aumenta significativamente la formabilità alle alte temperature.
Il ruolo dei non metalli nelle leghe
Nonostante la loro percentuale inferiore nelle leghe, i non metalli sono indispensabili perché contribuiscono in modo decisivo a migliorare le proprietà del materiale:
- Carbonio: è un componente essenziale delle leghe di acciaio che influenza in modo significativo la durezza e la resistenza. Le proprietà meccaniche dell’acciaio variano in modo significativo a seconda del contenuto di carbonio.
- Silicio: spesso viene utilizzato come additivo nelle leghe di alluminio per migliorare la colabilità. La lega alluminio-silicio (silumin) è utilizzata nell’industria automobilistica per le parti fuse.
- Boro: anche in piccole quantità, il boro ha un effetto importante sulle proprietà meccaniche delle leghe, aumentandone la durezza.
I non metalli più utilizzati nell'industria automobilistica
I non metalli svolgono un ruolo sempre più importante nell'industria automobilistica, in particolare nelle aree della costruzione leggera, della tecnologia delle batterie e dell'elettronica. I non metalli comunemente utilizzati nell'industria sono
- Carbonio: sotto forma di fibre di carbonio, viene utilizzato sempre più spesso per la produzione di componenti leggeri che riducono il peso dei veicoli e ne aumentano l’efficienza. Il carbonio è contenuto anche nelle leghe di acciaio, utilizzate per la carrozzeria e le parti strutturali.
- Silicio: il silicio è utilizzato nelle leghe di alluminio, in particolare per le parti fuse nell’ingegneria automobilistica. È anche un componente chiave dell’elettronica dei veicoli, poiché viene utilizzato nei semiconduttori e nei microchip.
- Zolfo: lo zolfo è utilizzato nelle mescole di gomma impiegate nella produzione di pneumatici per auto.
- Platino e palladio: questi non metalli sono utilizzati nei convertitori catalitici per ridurre le emissioni nocive. Sono fondamentali per il rispetto degli standard ambientali e svolgono un ruolo importante nella tecnologia delle celle a combustibile dei veicoli a idrogeno.
- Boro: Il boro è utilizzato come elemento di lega per la tempra dell’acciaio e viene impiegato nei componenti ad alta resistenza.
Applicazioni tecniche dei non metalli nell'industria automobilistica
In particolare, i seguenti componenti sono dominati dai non metalli:
- Catalizzatori: I non metalli come il platino e il palladio sono componenti essenziali delle marmitte catalitiche che riducono le emissioni nocive. Questi materiali aiutano a rispettare le severe normative ambientali e svolgono un ruolo importante nel miglioramento della qualità dell’aria.
- Celle a combustibile: I veicoli a celle a combustibile a idrogeno sono solitamente dotati di membrane complesse ed elettrodi in platino o carbonio, ad esempio. Queste tecnologie stanno diventando sempre più importanti con l’ulteriore sviluppo di tecnologie di guida alternative.
- Elettronica e sensori: I semiconduttori non metallici come il silicio sono indispensabili per l’elettronica e i sensori dei veicoli moderni, che stanno diventando sempre più automatizzati.
- Tecnologia delle batterie: i materiali non metallici come la grafite svolgono un ruolo fondamentale nello sviluppo delle moderne tecnologie delle batterie per veicoli elettrici. Questi materiali migliorano notevolmente le prestazioni e la durata delle batterie.
- Protezione dalla corrosione: i rivestimenti non metallici e gli additivi proteggono i componenti metallici dalla corrosione e ne prolungano la durata, soprattutto in condizioni ambientali aggressive.
- Materiali compositi: Nell’industria automobilistica, i materiali metallici e non metallici vengono spesso combinati per produrre materiali compositi che combinano alta resistenza e peso ridotto.
Nuovi sviluppi nelle leghe e nei non metalli
L’ulteriore sviluppo della tecnologia è accompagnato anche da innovazioni nel campo delle leghe e dei non metalli. Un esempio è rappresentato dalle leghe leggere ad alta resistenza, come le leghe di titanio-alluminio o di magnesio, che vengono utilizzate nell’ingegneria aerospaziale e automobilistica grazie alla loro elevata resistenza e leggerezza.
I metalli amorfi, noti anche come vetri metallici, sono un’altra innovazione. Queste nuove leghe hanno una disposizione atomica irregolare e sono caratterizzate da un’eccezionale resistenza e formabilità. Offrono potenziali applicazioni nell’alta tecnologia e nella tecnologia medica.
Anche le leghe verdi stanno acquisendo importanza. Si tratta di leghe ecologiche realizzate con materie prime sostenibili o prodotte con processi più efficienti dal punto di vista energetico per ridurre al minimo l’impatto ambientale.
Riciclaggio e sostenibilità
La riciclabilità delle leghe e dei non metalli sta assumendo un ruolo sempre più importante, soprattutto in settori come quello automobilistico e aerospaziale.
C’è una crescente attenzione al concetto di economia circolare per riutilizzare materiali come l’alluminio e l’acciaio e ridurre l’impatto ambientale.
C’è anche una maggiore attenzione all’uso di fonti di materie prime sostenibili per garantire che metalli critici come il litio o il platino provengano da fonti prive di conflitti e rispettose dell’ambiente.
Produzione additiva (stampa 3D) in metallurgia
Un importante passo avanti nella lavorazione delle leghe è rappresentato dalla produzione additiva, nota anche come stampa 3D. Questa tecnologia consente di produrre strutture complesse direttamente da polveri di leghe e viene sempre più utilizzata sia nell’industria automobilistica che in quella aerospaziale. Utilizzando la metallurgia delle polveri, è possibile produrre leghe con proprietà specifiche in modo mirato. Un altro potenziale innovativo è lo sviluppo di leghe personalizzate che si adattano ai requisiti di applicazioni specifiche.
Previsioni future
L’uso di leghe e non metalli continuerà a crescere di importanza nei prossimi decenni. L’importanza di questi materiali aumenterà soprattutto in settori come l’elettromobilità e l’economia dell’idrogeno.
Le leghe leggere e le tecnologie avanzate delle batterie giocano un ruolo fondamentale nell’ulteriore sviluppo dei veicoli elettrici.
Inoltre, la domanda di platino nella tecnologia delle celle a combustibile aumenterà con l’aumento dell’importanza dell’idrogeno come fonte di energia alternativa.
Conclusione
Le leghe e i non metalli sono componenti essenziali della tecnologia e dell’industria moderna. Offrono soluzioni personalizzate per un’ampia gamma di applicazioni, in particolare nell’industria automobilistica, dove contribuiscono ad aumentare l’efficienza e a rispettare gli standard ambientali.
Il controllo della temperatura e della composizione è fondamentale per ottenere le proprietà desiderate di questi materiali e ottimizzare ulteriormente le loro potenziali applicazioni. Inoltre, la ricerca e l’innovazione in corso aumenteranno ulteriormente l’uso di leghe e non metalli in nuove aree, in particolare per quanto riguarda la sostenibilità e le nuove tecnologie di produzione come la stampa 3D.
