Lezione_8-2_Metalli.pdf

CORSO di CHIMICA degli ARCHEOMATERIALI A.A. 2023-24 8.2_Metalli Docente: Enrico Greco, PhD ([email protected]) Assistant Professor, Department of Chemical and Pharmaceutical Sciences ...

CORSO di CHIMICA degli ARCHEOMATERIALI A.A. 2023-24 8.2_Metalli Docente: Enrico Greco, PhD ([email protected]) Assistant Professor, Department of Chemical and Pharmaceutical Sciences  I METALLI I METALLI SONO MATERIALI CHE  riflettono la luce (lucentezza metallica),  ottimi conduttori di calore e di elettricità,  possono essere attaccati dagli acidi (con sviluppo di idrogeno) e dalle basi,  in genere hanno buone caratteristiche di resistenza meccanica. 2 ENRICO GRECO, PHD  ESTRAZIONE DEI METALLI I metalli reagiscono facilmente con Ossigeno, Zolfo, Carbonio e Silicio per questo la maggior parte dei minerali in natura si trova combinata con questi elementi sotto forma di minerali. L’insieme delle tecniche che consentono l’estrazione del metallo puro dai suoi minerali si definisce metallurgia estrattiva. Esempi di metalli che si trovano allo stato nativo: Oro, Argento, Rame. 3 ENRICO GRECO, PHD  LE LEGHE Combinazione di due o più sostanze, di cui almeno una è un metallo. Sono quindi formati miscelando un metallo con altri elementi, metallici e non, chiamati alliganti. Si definisce solvente il metallo presente in maggiore quantità e soluto il metallo (o non metallo) presente in quantità inferiore. Generalmente allo stato fuso nelle leghe si ha completa miscibilità tra solvente e soluto, mentre allo stato solido questa varia in base ai componenti. Per questo al termine del processo di solidificazione si ottengono leghe a diversa microstruttura. LEGHE MONOFASICHE: LEGHE MULTIFASICHE (bifasiche, trifasiche etc.): Metalli sono solubili sia allo stato liquido che solido. Gli Metalli sono solubili allo stato liquido, ma NON allo atomi diversi sono uniformemente distribuiti e stato solido. Sono quindi costituite da una miscela di indistinguibili. fasi cristalline di varia composizione distinte tra loro (esempio: Oro (Au)+Argento (Ag); Rame (Cu)+Nichel (Ni) (esempio: Ghisa ( Ferro (Fe)+Carbonio (C); Bronzo Cu(rame)+Stagno (Sn) oppure Bronzo ternario (Cu-Sn-Pb)) Le proprietà sono diverse da quelle dei singoli elementi e dipendono dalla compattezza e grandezza di questi ultimi e dalla composizione. Fondono e solidificano in un intervallo di temperature, minore conduttività rispetto ai metalli e maggiore durezza. 4 ENRICO GRECO, PHD  LE LEGHE LEGA DI SOSTITUZIONE: LEGA INTERSTIZIALE: Quando gli atomi di un metallo sostituiscono Quando la lega è formata da elementi con elementi quelli di un altro metallo. Gli atomi dei metalli di dimensioni molto diverse (il raggio del metallo hanno dimensioni atomiche e proprietà soluto è più piccolo di almeno il 60%). elettroniche molti simili. Es. Acciaio (Fe+C) Es: Rame +Zinco 5 ENRICO GRECO, PHD  LE LEGHE O La lega è il risultato della diluizione di almeno un metallo in un altro metallo. Se le sostanze sono due la lega è binaria se sono tre è ternaria etc. Il metallo che predomina da il nome alla lega. O I metalli puri non sono sufficientemente duri per poter essere lavorati, per cui vengono messi in lega con altri metalli che ne aumentano la durezza (per es.: l’aggiunta del Cu all’Au o all’Ag). come sappiamo le monete, specie quelle d'oro, in passato venivano saggiate mettendole tra i denti tentando di piegarle con le dita per capire se erano di buon metallo oppure suberate, dorate/argentate ecc. (fonte: "Numismatica e tecnologia" di Finetti) 6 ENRICO GRECO, PHD  LE LEGHE Diagramma di fase ternario: rappresentativo delle colorazioni assunte dalle leghe Ag-Au-Cu. Le scale numeriche scritte ai lati del triangolo si riferiscono alle percentuali in peso di oro, argento e rame. 7 ENRICO GRECO, PHD  LE LEGHE – TITOLO E MISURA Il titolo dei metalli nobili usato dagli orefici è espresso in millesimi: Pt 990 ‰ Ag 925 ‰ Au 750 ‰ poiché a titolo più basso diventano fragili ‰ 8 ENRICO GRECO, PHD  LE LEGHE – TITOLO E MISURA Un’altra unità di misura usata per metalli preziosi è il carato (Kt), che identifica le parti di un metallo nobile in una lega espressa in ventiquattresimi (origini arabe). O L’oro puro viene quindi indicato come “oro 24 carati”, ovvero ventiquattro ventiquattresimi (24/24) O Nelle leghe d'oro un carato equivale dunque ad una di parte d'oro sul totale delle 24 parti che costituiscono la lega. O La definizione “oro a 18 carati” indica che la lega è costituita da 18 parti d'oro puro e 6 parti di altri metalli. 9 ENRICO GRECO, PHD  LE LEGHE – TITOLO E MISURA L’argento in gioielleria è una lega d’argento 925 ‰. La lega d’argento a 900 ‰ è detta comunemente argento per conio e viene usata per le monete (lega da conio). 10 ENRICO GRECO, PHD  LE LEGHE – TITOLO E MISURA L’oreficeria è l’arte della lavorazione dell’oro e di altri metalli preziosi, per ottenere oggetti artistici. L’arte orafa è strettamente correlata con la gioielleria. 11 ENRICO GRECO, PHD  I METALLI PREZIOSI 12 ENRICO GRECO, PHD  I METALLI PREZIOSI Il culto antico per i morti ci ha permesso di rinvenire molti gioielli nelle sepolture. Gran parte dei gioielli è andata perduta perché, nei periodi di difficoltà finanziarie, l’aristocrazia, li faceva fondere per ottenerne metalli da vendere. Gli oggetti religiosi custoditi dalla casta sacerdotale si sono salvati più facilmente. Corredo funebre della tomba 43 della necropoli di Varna - Bulgaria 13 ENRICO GRECO, PHD  I METALLI PREZIOSI 14 ENRICO GRECO, PHD  I METALLI PREZIOSI miscela di HCl e HNO3 15 ENRICO GRECO, PHD  I METALLI PREZIOSI Il Cu viene aggiunto alle leghe preziose per la sua resistenza all’usura. 16 ENRICO GRECO, PHD  RAME reperibile in natura allo stato nativo e la sua estrazione risulta relativamente facile (CuS, Cu2S, Cu2O). Colore: rosa salmone; Temperatura fusione 1085°C Notevole duttilità e malleabilità, conducibilità termica. Impieghi: oggi è usato per la produzione di fili e cavi elettrici e coperture edilizie e grondaie. Grazie alla buona deformabilità, saldabilità e bassa durezza usato per la produzione di oggetti artistici e artigianali: le lastre di Cu sono ottime per la tecnica dell’incisione a punta secca, dell’acquaforte. Esempio utilizzo del rame nella scultura: Statua della Libertà di NY. Minerali di Cu utilizzati nella pittura come pigmenti. 17 ENRICO GRECO, PHD  RAME Il rame può essere usato sia allo stato puro che in lega con altri elementi. Le leghe di rame migliorano le caratteristiche del materiale. Offrono pertanto: - migliori caratteristiche meccaniche; - migliore colabilità; - migliore lavorabilità alle macchine utensili; - migliore resistenza alla corrosione; - migliore elasticità. 18 ENRICO GRECO, PHD  RAME Il Cu per azione dell’ossigeno dell’aria si ossida ad ossido rosso o nero. L’annerimento è tanto maggiore quanto maggiore è il suo contenuto. Per evitare queste modificazioni di colore, nella produzione di gioielli, si aggiunge borace, acido borico o tripoli, oppure si esegue il riscaldamento in atmosfera inerte. Nonostante queste precauzioni non sempre si riesce a prevenire l’ossidazione, in tal caso, per allontanare il colore superficiale si procede all’imbianchimento mediante immersione in acido solforico diluito a caldo o in soluzione di allume ferrico. L’acido scioglie gli ossidi di Zn, Cd, Ni allo stato di solfati solubili. 19 ENRICO GRECO, PHD  RAME L’ottone, formato da rame (circa 50-90%) e zinco, è un esempio di lega omogenea di sostituzione, composta da metalli con atomi di raggio simile. Questo tipo di leghe sono più dure e resistenti rispetto al metallo di partenza e le loro proprietà possono essere ancora modificate a piacimento e migliorate aggiungendo altri metalli. Il bronzo, formato da rame e stagno (< al 30%), è una delle leghe più antiche, usato in passato per costruire armi e utensili grazie alle sue caratteristiche. Il bronzo, infatti , fonde e solidifica a temperature intermedie rispetto ai metalli di partenza che sono più difficilmente lavorabili. Inoltre più duro e resistente alla corrosione. Tipicamente le leghe utilizzate nelle fonderie artistiche sono bronzi contenenti più dell’80% di rame e stagno, piombo e zinco come alliganti. 20 ENRICO GRECO, PHD  ARGENTO Si rinviene frequentamene in natura allo stato nativo sotto forma di pepite, a volte anche di notevoli dimensioni. Nella sua forma pura è un metallo bianco e molto splendente. Struttura cubica a facce centrate che gli conferisce ottima malleabilità e duttilità. Migliore conducibilità elettrica e termica di tutti i metalli. Metallo nobile (resistenti alla corrosione e ossidazione in aria umida). L’Argento si commercia in gocce, fili, barrette, fogli, lingotti e sottilissime lamine da rivestimento. L’Argento può essere estratto o nativo oppure è possibile trovarlo insieme a piccole quantità di altri solfuri di altri metalli come Piombo (Pb) e Antimonio (Sb). 21 ENRICO GRECO, PHD  ARGENTO Argento puro è utilizzato solo nell’industria elettrica ed elettronica quando sono richieste elevate conducibilità elettrica e termica. Gioielleria (contemporanea): viene generalmente impiegato in lega con rame o nichel che ne migliorano la durezza e la resistenza meccanica. Le leghe più impiegate hanno titolo 800 (800 parti di Ag su 1000) ma per oggetti più pregiati e lucenti si usano leghe 900, 925 o 950 con nichel. Argentatura del metalli: Placcatura: si fa aderire una foglia sottilissima di Ag sull’oggetto metallico riscaldato e immerso in un bagno fuso di Stagno. La superficie viene poi lavorata con la pietra pomice. Argentatura a fuoco: l’oggetto viene rivestito con amalgama di mercurio e argento e successivamente riscaldato per far evaporare il mercurio. L’argento rimane aderente alla superficie dell’oggetto. Oggi si impiega il metodo Elettrolitico usando bagni contenenti cianuro di argento sciolto in eccesso di cianuro alcalino. 22 ENRICO GRECO, PHD  ARGENTO O In acqua pura l’argento (Ag) è inalterabile a freddo e a caldo. O Resiste molto bene alla soda caustica O A freddo viene ossidato dall’O2 con formazione di ossido di Ag nero, molto resistente. O L’acido che scioglie più facilmente l’Ag è l’acido nitrico O L’HNO3, acido nitrico, non scioglie l’oro (viene sciolto solo dall’acqua regia), per cui viene usato per separare i due metalli 23 ENRICO GRECO, PHD  ARGENTO O I cianuri di Na e K sciolgono rapidamente l’Ag in presenza di aria o H2O2 (acqua ossigenata) O L’Ag viene facilmente intaccato da prodotti contenenti zolfo con formazione di solfuro nero; questa patina non è dannosa, ma non ha la proprietà di proteggere il metallo sottostante da ulteriore alterazione. O Quest’alterazione costituisce un grave inconveniente, perciò molti studi sono stati condotti per trovare rimedio. Purtroppo per raggiungere una resistenza completa occorre l’aggiunta all’Ag di una % rilevante di Au, economicamente non vantaggiosa. O Con l’avvento dell’epoca industriale si hanno nell’atmosfera notevoli quantità di prodotti solfurei. Secondo le statistiche ogni giorno 7 mg x m3 di argento si alterano per la presenza di solfuri. 24 ENRICO GRECO, PHD  I METALLI PREZIOSI Se l’Ag è ricoperto da uno strato di ossidazione superficiale, non ha conseguenze importanti, basta un leggero decapaggio (pulitura di superfici metalliche mediante breve immersione in soluzioni acide o basiche diluite per eliminare incrostazioni e ossidazioni) o per pulitura (con spazzola e sapone in acqua calda). 25 ENRICO GRECO, PHD  CONSERVAZIONE E PULIZIA DEGLI ARGENTI Ridurre il contatto con l’atmosfera (aria/ossigeno/gas) Protezione degli oggetti in vetrine ► Protezioni delle superfici con ► pellicole trasparenti ► cere ► vernici ► ….. 27 ENRICO GRECO, PHD  ORO Uno dei primi metalli conosciuti dall’uomo e diffusamente impiegato come merce di scambio e nella progettazione di oggetti preziosi, perché reperibile in natura allo stato nativo. Sono rari i minerali in cui oro si trova combinato con altri elementi. Colore: giallo che tende a divenire verdognolo in presenza di Ag e rossastro in presenza di Cu. Punto fusione: 1064°C Metallo più malleabile (si possono ottenere lamine di spessore tra 10-4 e 10-5 mm), duttile e inalterabile da parte di agenti atmosferici e sostanze contenute nei cibi. Si può sciogliere nel mercurio a freddo formando un amalgama (usato per la doratura). 28 ENRICO GRECO, PHD  ORO Tecniche estrazione: esistono due tipi di giacimenti: primari e secondari. Nei giacimenti primari l’oro è imprigionato nella roccia madre (solitamente quarzite). I giacimenti secondari si formano per erosione da parte dell’acqua dei giacimenti primari. In essi il metallo si trova mescolato a sabbie quarzifere con argilla e miche sotto forma di pagliuzze o granuli (pepite). La produzione dai giacimenti primari si effettua per frantumazione della roccia madre e viene poi cianurato. Dai secondari per levigazione con getti d’acqua delle sabbie e poi cianurato. Il metallo grezzo viene poi purificato per quartazione (oro viene fuso con argento, si producono delle lamine e poi si trattano con acido nitrico a caldo che scioglie solo Ag) o per via elettrolitica. 29 ENRICO GRECO, PHD  ORO Nell'oreficeria, la granulazione è una tecnica decorativa consistente nella saldatura di piccole sfere auree, denominate grani, a un sottofondo, in genere lamina, secondo un disegno prestabilito. Quando i grani raggiungono proporzioni microscopiche – nell'ordine di 0,1 mm di diametro – si attribuisce a questa stessa tecnica il nome di “pulviscolo”. Si tratta di una delle più complesse e affascinanti tecniche dell'arte orafa, e al tempo stesso anche una delle più discusse. Disparate e contrastanti sono infatti le opinioni diffuse in merito ai metodi di applicazione, e le varie ipotesi finora formulate non hanno ancora fornito, in fase di sperimentazione, risultati concreti attendibili. I primi esempi decorati a granulazione, a oggi conosciuti, provengono dalle tombe reali di Ur in Mesopotamia e risalgono al 2500 BCE. Successivamente la tecnica si diffuse nelle regioni vicine dell'Asia Minore della Siria e della Palestina, e quindi, in Egitto, a Cipro e nell'area Egeo-greca. Si trovano altre attestazioni di gioielli granulati negli scavi di Schliemann a Troia (2350-2100 BCE.) e, in periodi più recenti, a Dahshur in Egitto (tombe delle principesse Mereret e Khnumit, XII dinastia, 1991-1778 BCE.) e in area minoica (necropoli di Cnosso e Malia, circa 1700 BCE.). Anche l'oreficeria fenicio-punica fa uso considerevole della granulazione. 30 ENRICO GRECO, PHD  ORO Nell'isola di Creta, grazie all'arrivo di artigiani metallurgici dalla Fenicia e dalla Siria, oltre alla granulazione vengono introdotte anche le tecniche della filigrana e dell'intarsio. L'oreficeria cretese per lungo tempo primeggerà nel Mar Egeo, in competizione con le polis di Atene e Corinto. La tecnica della granulazione è attestata anche tra i Micenei (III tomba del circolo interno di Micene del XVI sec. BCE, o esempi da Pylos databili intorno al XIV sec. BCE), e anche a Cipro nel tardo periodo miceneo. Con il declino della cultura micenea la granulazione sembra scomparire quasi totalmente per alcuni secoli. Tornerà in uso nel corso del IX secolo BCE durante il periodo delle colonizzazioni greche del Mar Mediterraneo occidentale. Nella Grecia continentale ci sono esempi già nell'oreficeria geometrica attica dell'VIII sec. BCE, in particolare sui pendagli di collane, ma la granulazione in Grecia troverà maggiore diffusione a partire dal VII sec. BCE. nell'oreficeria Gioiello con elementi della mitologia greca, la Chimera e il del periodo orientalizzante. Pegaso, realizzato con la tecnica della granulazione proveniente dall'Italia meridionale (400-300 BCE) 31 ENRICO GRECO, PHD  ORO Orecchini etruschi a bauletto decorato in filigrana, lamine e Orecchino etrusco decorato per granulazione (VI sec. BCE) granulazione (400–300 BCE) 32 ENRICO GRECO, PHD  ORO Fibula etrusca (VII sec. BCE) 33 ENRICO GRECO, PHD  ORO Fibula etrusca ad arco serpeggiante (VII sec. BCE) 34 ENRICO GRECO, PHD  ORO Anello etrusco da Vulci (V sec. BCE) Orecchino etrusco a disco (VI sec. BCE) 35 ENRICO GRECO, PHD  I METALLI PREZIOSI LA SGRASSATURA O Per ripristinare il colore proprio della lega, come asportare lo strato a composizione modificata mediante finitura meccanica o lucidatura galvanica. O Quando è necessario ripulire alcuni metalli, prima di un’eventuale lucidatura, vanno eliminate le impurezze e i grassi derivanti dallo sporco. 36 ENRICO GRECO, PHD  I METALLI PREZIOSI La sgrassatura viene fatta mediante: O Spazzolatura con soluzioni acquose calde (calce spenta, sapone o carbonato di sodio in polvere, prodotti a base di alcooli solfonati e sali di calcio e magnesio) O Con solventi (alcool, acqua ragia, etere, tricloro etilene) con o senza ultrasuoni. O Per via galvanica. 37 ENRICO GRECO, PHD  I METALLI PREZIOSI Spesso per la pulitura e lucidatura vengono usate sottili polveri abrasive: 38 ENRICO GRECO, PHD  TECNICHE ORAFE L’ Incisione è una tecnica artistica, può essere in cavo o in rilievo. Il disegno viene reso indelebile per asporto di metallo. Incisione chimica lastra Cu incrudita + cera ➔ con punta metallica si disegna asportando la cera HNO3 diluito per incidere il metallo asportazione cera ➔ lastra pronta Cera solida: 300g cera vergine + 200g bitume giudaico + 200g mastice in lacrime + 100g colofonia. Incisione a bulino o con scalpelli. Bitume, standolio, argilla e trementina 39 ENRICO GRECO, PHD  I METALLI PREZIOSI Sbalzo e cesello: l’incisione asporta il metallo, il cesello sposta metallo (utensile non tagliente per creare un disegno sotto i colpi di un martello) 40 ENRICO GRECO, PHD  I METALLI PREZIOSI  Si sbalza con grossi spostamenti di metallo, sul rovescio (faccia posteriore, in negativo).  Si cesella (finitura, ritocco con piccolo spostamento di materiale) sul diritto (parte anteriore, in positivo) preferibile con Cu. 41 ENRICO GRECO, PHD  I METALLI PREZIOSI Saliera di Francesco I di Francia, Benvenuto Cellini 1543, 26 cm, Vienna 42 ENRICO GRECO, PHD  I METALLI PREZIOSI La Saliera di Francesco I è un'opera scultorea in ebano, oro e smalto, realizzata da Benvenuto Cellini al tempo del suo soggiorno in Francia (1540 – 1543). Di piccolo formato (alta 26 cm), è considerato universalmente il capolavoro d'oreficeria dell'artista e uno degli oggetti più significativi del Manierismo europeo. È custodita all'interno del Kunsthistorisches Museum di Vienna. Rubata nel 2003, Nettuno, il re del mare, è rimasto mesi senza il suo tridente.I ladri glielo avevano strappato di mano senza troppi riguardi per mandarlo come prova ai poliziotti. Volevano convincere lo Stato austriaco a cedere alle loro richieste: chiedevano 10 milioni di euro per rendere la preziosa saliera d' oro. Nel 2006 è stata recuperata in un bosco alle porte di Vienna. 43 ENRICO GRECO, PHD  SMALTATURA Operazione per coprire di smalto una superficie di metallo. Lo smalto viene ottenuto fondendo insieme: NaOH + silice + borace (Na2B4O7) + ossido di Pb → miscela incolore Questa operazione si può fare su: Fe, ghisa, Cu, ottone, similoro, alpacca, Ag, Au. Gli smalti colorati si ottengono per aggiunta di ossidi metallici colorati. Sono smaltabili tutti i metalli con p.f > del p.f degli smalti. L’Au si smalta tanto meglio quanto < è il contenuto di Cu. L’Ag si smalta meglio se contiene Pt. 44 ENRICO GRECO, PHD  FERRO Il ferro puro (che in natura non esiste) è un metallo grigio lucente, relativamente duttile e malleabile, dotato di buona conducibilità elettrica e termica. Data la forte tendenza a ossidarsi in natura è reperibile puro solo nei meteoriti, mentre generalmente si trova combinato con zolfo e ossigeno. Principali minerali del ferro: EMATITE : Fe2O3 MAGNETITE (71,5% ferro): Fe3O4 PIRITE: solfuro più diffuso in natura FeS2. 45 ENRICO GRECO, PHD  LEGHE FERROSE Il diagramma di stato ferro-carbonio è un particolare diagramma di fase che descrive le strutture di equilibrio delle principali leghe ferro-carbonio (acciaio e ghisa). Il diagramma ferro-carbonio presenta il carburo di ferro Fe3C come composto interstiziale chiamato cementite. La porzione del diagramma che si prende in considerazione è quella con un contenuto di carbonio corrispondente alla composizione stechiometrica della cementite (6.67% in peso) (per questo sarebbe più appropriato parlare di diagramma ferro-cementite). Difatti la porzione che interessa dal punto di vista tecnologico (di pertinenza dell'acciaio e della ghisa) coinvolge percentuali di carbonio ben al di sotto di questo limite (in genere non si supera il 4%). Nel diagramma si assume inoltre per semplicità che la grafite sia completamente solubile nel ferro fuso, anche se di fatto tale solubilità è limitata fino ad un massimo del 5%. La cementite è in realtà un composto metastabile, mostrando la tendenza a decomporsi secondo la reazione: Fe3C → 3Fe + C per dare ferro e grafite. 46 ENRICO GRECO, PHD  LEGHE FERROSE Il vero diagramma di equilibrio termodinamico è perciò il diagramma ferro-grafite. Tuttavia la reazione di decomposizione procede in maniera estremamente lenta tale da non avere rilevanza pratica nelle normali condizioni ambientali. Seppure il diagramma ferro-grafite rappresenti quindi il diagramma stabile da un punto di vista termodinamico, la sua osservanza richiederebbe velocità di raffreddamento molto lente, lontane da quelle adottate nei comuni processi tecnologici. È per questo che si assume sempre come diagramma di riferimento il diagramma ferro-cementite (e a questo ci si riferisce quando si parla di diagramma ferro-carbonio). La presenza della grafite si rileva solo nelle leghe ad alto tenore di carbonio (2-4% ghise) grazie anche alla presenza di elementi promotori della sua formazione quale il silicio. 47 ENRICO GRECO, PHD  CCC CFC LEGHE FERROSE Il ferro puro allo stato solido presenta tre forme allotropiche: ferro α: struttura cristallina cubica a corpo centrato (CCC o bcc) con costante di cella 2.86 Å, stabile fino a 912 °C. ferro γ: struttura cristallina cubica a facce centrate (CFC o fcc) con costante di cella 3.65 Å, stabile tra 912 °C e 1394 °C. ferro δ: struttura cristallina cubica a corpo centrato (CCC o bcc) con costante di cella 2.93 Å, stabile tra 1394 °C e 1538 °C (temperatura di fusione). Queste tre forme allotropiche del ferro sono in grado, in misura diversa, di dar luogo a soluzioni solide con il carbonio, oltre che combinarsi con questo per formare la cementite. L’allotropia di un elemento si riferisce alla capacità di coesistere in molteplici forme strutturali allo stato solido Ad esempio: il C ha come forme allotropiche la grafite, il grafene, il diamante, i fullereni, i nanotubi, il carbone amorfo; l’O ha come forme allotropiche l’O2 e l’O3. 48 ENRICO GRECO, PHD  LEGHE FERROSE La siderurgia è il campo della metallurgia che si interessa delle leghe ferrose (ghise e acciai), prodotte in apposite camere ad altissima temperatura, chiamate altiforni. LA GHISA: costituita da ferro e carbonio (dal 2 al 6%), silicio (Si) e manganese (Mn). Rispetto all’acciaio ha un quantitativo maggiore di carbonio (C) quindi è più dura (resiste meglio all’abrasione), ma più fragile. Ghisa bianca e ghisa grigia: la differenza di colore dipende dalla velocità di raffreddamento. Ghise grigie : ottenute per raffreddamento lento e il carbonio grafitico ha il tempo di separarsi in lamelle o granuli distribuiti uniformemente, che conferiscono il colore grigio. Questo tipo di ghisa ha discrete proprietà meccaniche, costituiscono per fusione: tombini stradali, basamenti di lampioni, radiatori. Ghise bianche: contengono cromo e manganese e si ottengono per brusco raffreddamento, che ha portato alla precipitazione di Fe3C (cementite) dal colore argenteo. Usato per oggetti resistenti all’usura come i martelli per i frantoi. 49 ENRICO GRECO, PHD  LEGHE FERROSE ACCIAIO: sono leghe ferro-carbonio con un contenuto in carbonio variabile dal 0,008% a 2%. Si ottengono dalla ghisa utilizzando dei forni speciali detti convertitori. Le caratteristiche meccaniche degli acciai dipendono dalla quantità di carbonio (sotto forma di cementite Fe3C) presente nella lega, più aumenta più sono duri. Acciaio dolce più duttile e più resiliente (ovvero resistente all’urto), semiduro meno duttili ma maggior resistenza meccanica (usati per carrozzeria e carpenteria). Più induriscono, minore duttilità, meno lavorabilità, ma più facilmente temprabili. Acciaio Cor-Ten (CORrosion resistence - TENsil strenght) usato negli ultimi 40 anni in architettura. Usato come rivestimento per le facciate, ma anche come elemento strutturale. È diffuso nella scultura contemporanea (Richard Serra, Picasso) e nell’arredo urbano. 50 ENRICO GRECO, PHD  LEGHE FERROSE Nel diagramma di equilibrio le fasi presenti sono quindi le seguenti: Fase α: Ferrite. È la soluzione interstiziale formata da piccole quantità di carbonio nel reticolo CCC del ferro α. La presenza di atomi di carbonio nel reticolo CCC del ferro α produce delle notevoli distorsioni, per questo la solubilità del carbonio nel ferro α è molto limitata (come si evince dal diagramma) e può raggiungere un valore massimo dello 0.022% (a 723 °C). Fase γ: Austenite. È la soluzione solida interstiziale del carbonio nel ferro γ (CFC). La struttura cristallina del ferro γ, favorisce una maggiore solubilità del carbonio, dal diagramma si nota infatti un campo di stabilità dell'austenite decisamente più ampio Fase δ: Ferrite δ. È la soluzione interstiziale del carbonio nel ferro δ (CCC). Valgono per questa fase considerazioni analoghe a quelle fatte sulla ferrite α. La maggiore costante di cella consente tuttavia un lieve aumento della solubilità del carbonio. Fase Fe3C: Cementite. È il composto intermetallico tecnologicamente più importante e studiato. 51 ENRICO GRECO, PHD  LEGHE STAGNO-PIOMBO Lo stagno presenta due forme allotropiche: Stagno α: sotto i 13,2 °C, detta stagno grigio, densità 5,769 g/cm³; numero di coordinazione 4, ha una struttura cristallina cubica molto simile al silicio e al germanio. Stagno β: sopra i 13,2 °C, detta stagno bianco, densità 7,265 g/cm³; numero di coordinazione 6, con una struttura cristallina tetragonale. Se raffreddato da solido, lo stagno β si riconverte lentamente nella forma allotropica α. Questo fenomeno, noto come peste dello stagno, viene sfavorito da impurità di alluminio e zinco presenti nel metallo che ne abbassano la transizione a 0 gradi. Per impedire del tutto questa trasformazione vengono aggiunte allo stagno puro piccole quantità di antimonio e bismuto. 52 ENRICO GRECO, PHD  LEGHE STAGNO-PIOMBO Lo stagno presenta due forme allotropiche: Stagno α: sotto i 13,2 °C, detta stagno grigio, densità 5,769 g/cm³; numero di coordinazione 4, ha una struttura cristallina cubica molto simile al silicio e al germanio. Stagno β: sopra i 13,2 °C, detta stagno bianco, densità 7,265 g/cm³; numero di coordinazione 6, con una struttura cristallina tetragonale. Se raffreddato da solido, lo stagno β si riconverte lentamente nella forma allotropica α. Questo fenomeno, noto come peste dello stagno, viene sfavorito da impurità di alluminio e zinco presenti nel metallo che ne abbassano la transizione a 0 gradi. Per impedire del tutto questa trasformazione vengono aggiunte allo stagno puro piccole quantità di antimonio e bismuto. 53 ENRICO GRECO, PHD https://youtu.be/zOSkqO4BQRY  MISCELE EUTETTICHE Una miscela eutettica (dal greco εὐ, eu- = buono e τήκω, tēkō = fondere) è una miscela di sostanze il cui punto di fusione è più basso di quello delle singole sostanze che la compongono (da cui il nome "facile da fondere"). Nel diagramma di fase viene identificato da un punto che corrisponde a un equilibrio invariante. Una miscela eutettica, a un determinato valore di pressione costante, è caratterizzata da un ben determinato rapporto in peso tra i suoi costituenti e da un ben determinato valore di temperatura eutettica. Gli eutettici riguardano in particolare le leghe metalliche, specie quelle tra stagno, zinco, piombo, rame, cadmio, bismuto, ma anche i minerali. Ad esempio le lave vulcaniche rimangono allo stadio fluido a temperature molto inferiori a quelle di fusione di qualsiasi loro costituente (vedi lezione ceramiche). 54 ENRICO GRECO, PHD  CASO STUDIO CANNE D’ORGANO SICILIANE PROVENIENZA COSTRUTTORE E ANNO SANTA MARIA DELLE DEL PIANO, 1725-1735 STELLE, COMISO (RG) SANTA MARIA GRIMALDI, 1723 DELL’ARCO, NOTO (SR) CATTEDRALE DI ENNA PLATANIA, 1864 (EN) BASILICA DI SAN BATTAGLIA- PAOLO, PALAZZOLO ANDRONICO, 1849 ACREIDE (SR) 55 ENRICO GRECO, PHD  CASO STUDIO Canne provenienti da Santa Maria delle Stelle, Comiso 56 ENRICO GRECO, PHD  CASO STUDIO SEM ed EDX delle canne provenienti da Comiso 57 ENRICO GRECO, PHD  CASO STUDIO 58 ENRICO GRECO, PHD  CASO STUDIO 59 ENRICO GRECO, PHD  CASO STUDIO 60 ENRICO GRECO, PHD  CASO STUDIO 61 ENRICO GRECO, PHD  CASO STUDIO 62 ENRICO GRECO, PHD  TECNICHE DIAGNOSTICHE DISTRUTTIVE o Metallografia o si occupa dello studio della microstruttura dei metalli e delle leghe. Si asportano patine o prodotti di corrosioni. Da tale analisi si capisce se un metallo deriva direttamente dalla fusione, o se è stato sottoposto a ricottura, tempera, laminatura etc. o Analisi termica o studia i materiali in funzione della temperatura, registrando i cambiamenti di stato o di struttura che sono caratteristici di ogni materiale. o Analisi termogravimetrica o studia il comportamento del materiale durante il riscaldamento, seguendo in continuo eventuali variazioni di peso. 63 ENRICO GRECO, PHD