MATERIALI NON FERROSI La tavola periodica di Mendeleevèla scoperta più significativa nella storia dell'evoluzione dei materiali. Così hanno stabilito recentemente i membri di 68 Paesi che fanno parte dell'Aimmpe (American Instituteof Mining, Metallurgicaland PetroleumEngineers), l'Istituto che si occupa della ricerca di nuovi materiali . La Tavola Periodica degli Elementi è lo schema col quale vengono ordinati gli atomi sulla base del loro numero atomico, ossia in base al numero di protoni presenti nel nucleo degli elementi. La tavola Periodica esiste in varie versioni , a seconda delle caratteristiche degli elementi che si vogliono evidenziare LA TAVOLA PERIODICA DEGLI ELEMENTI L'esempio di tabella periodica che segue mette in evidenza lo stato fisico dei singoli elementi ed inoltre mostra i metalli Materiali Metallici non Ferrosi I materiali metallici non ferrosi si possono suddividere in gruppi, in funzione delle loro principali proprietà chimiche e fisiche Questi materiali occupano ben definite posizioni nella tavola periodica degli elementi Si esamineranno i metalli più usati in campo industriale I Gruppi dei Materiali non Ferrosi Gruppo Elementi Proprietà ed impiego Metalli Pesanti Rame , Nichel, Piombo, Zinco , Stagno ,Cobalto Massa volume. > 5000 kg/mc Usati in meccanica Metalli Leggeri Alluminio , Magnesio , Titanio,Berillio, Calcio Massa volume. < 5000 kg/mc Usati ove richiesta leggerezza Metalli Nobili Oro , Argento, Platino, Iridio Alto costo. Usati in oreficeria , elettronica , per protesi Metalli Refrattari Tungsteno,Molibdeno,C romo,Vanadio,Titanio,M anganese. Alta temperatura fusione. Usati nelle leghe e acciai speciali . Materiali radioattivi Uranio, Torio, Radio, Plutonio Emettono radiazioni . Usati per produrre energia e in medicina Terre rare Lantanio,Cerio, Neodimio, Samario Alto ferromagnetismo . Usati per macchine elettriche GRUPPO METALLI PESANTI Rame Cu Nichel NI Piombo P Zinco Zn Stagno Sn Cobalto Co • • • • • • RAME Simbolo: Cu Massa volumica: 8920 kg/m3 Punto di fusione: 1083°C Carico di rottura: 240 ÷ 480 N/mm2 Durezza Brinell: 50 ÷ 120 HBS Colore: Rosso salmone RAME Gli impieghi più importanti del rame sono quelli in elettrotecnica e in termotecnica (serpentine, caldaie, scambiatori di calore, ecc.),nella preparazione di molte sue leghe, quali gli ottoni, i bronzi, i bronzi di alluminio, ecc., e nella produzione di suoi composti, come il solfato di rame largamente usato quale anticrittogamico. • Il rame è ancora usato per rivestimenti e oggetti artistici; abbandonato è invece l'uso di pentole e vasellame da cucina, che poteva dar luogo a intossicazioni più o meno gravi a causa della possibile solubilizzazioni del rame da parte di acidi organici contenuti negli alimenti. NICHEL • • • • • • Simbolo: Ni Massa volumica: 8800 kg/m3 Punto di fusione: 1455°C Carico di rottura: 400 ÷ 800 N/mm2 Durezza Brinell: 200 HBS Colore: Argento Splendente NICHEL • Un terzo ca. della produzione mondiale di nichel è utilizzato, specialmente come metallo puro, nell'industria chimica, elettrochimica, elettrotecnica ed elettronica. • La maggior parte del nichel viene impiegata però per la preparazione di moltissime leghe (oltre 3000) fra cui gli acciai (nei quali il nichel spesso è presente in quantità variabili dallo 0,5 al 35%) che hanno un posto prevalente, in quanto a essi è destinato oltre il 50% della produzione di nichel. La sua funzione è quella di migliorare le caratteristiche di tenacità, temprabilità, resistenza meccanica, resistenza alla corrosione e al calore dell'acciaio specie quando è associato al cromo (acciai inossidabili). PIOMBO • • • • • • Simbolo: Pb Massa volumica: 11340 kg/m3 Punto di fusione: 327°C Carico di rottura: 20 ÷ 30 N/mm2 Durezza Brinell: 5 ÷ 7 HBS Colore: Azzurrognolo PIOMBO • È tenero, tanto da poterlo tagliare con un coltello, e facilmente deformabile, ma l'aggiunta anche di piccole quantità di altri elementi, in particolare di piccole quantità di arsenico, antimonio, argento o cadmio, ne aumenta considerevolmente la durezza. • È poco duttile e malleabile, anche a causa della sua grana cristallina generalmente grossolana: per solidificazione del metallo fuso si formano facilmente cristalli della lunghezza anche di alcuni cm. • Il piombo trova impiego nella fabbricazione di tubi per l'acqua e per l'industria chimica e delle guaine di protezione dei cavi elettrici e telefonici ZINCO • • • • • • Simbolo: Zn Massa volumica: 7140 kg/m3 Punto di fusione: 420°C Carico di rottura: 130 ÷ 250 N/mm2 Durezza Brinell: 80 ÷ 100 HBS Colore: Bianco azzurrognolo cristallino ZINCO • Lo Zinco un metallo bianco-azzurro, di media durezza, intorno ai 200 ºC diventa fragile e può essere macinato in polvere; all'aria scurisce lentamente, probabilmente perché si ricopre di una pellicola di ossido o di carbonato che lo autoprotegge. • Con lo zinco si producono le grondaie, le protezione metalli e le valvole per condutture. STAGNO • • • • • • Simbolo: Sn Massa volumica: 7280 kg/m3 Punto di fusione: 232°C Carico di rottura: 40 ÷ 60 N/mm2 Durezza Brinell: 15 HBS Colore: Bianco argenteo splendente STAGNO • La conversione dello stagno metallico in stagno grigio fu osservata per la prima volta nelle canne d'organo delle cattedrali delle città nord europee. A causa infatti delle basse temperature le canne degli organi sviluppavano strane escrescenze, fenomeno che veniva definito “peste dello stagno”. • Lo stagno è utilizzato per fare le canne dell’organo, il peltro, il vetro opalino, gli smalti e alcuni tipi di latta. COBALTO • • • • • • Simbolo: Co Massa volumica: 7280 kg/m3 Punto di fusione: 1495° Colore: Bianco Lucente IMPIEGO Leghe metalliche, quali ad esempio – quelle impiegate nella realizzazione di turbine per motori d'aereo – leghe ad alta resistenza alla corrosione e all'usura – acciai per utensili ad alta velocità. COBALTO • I sali e gli ossidi di cobalto vengono impiegati fino da epoca molto antica per colorare il vetro e gli smalti ceramici in blu o in rosa . • Il cobalto metallico stato largamente impiegato solo in epoca recente, soprattutto per la produzione di leghe speciali, in quanto l'aggiunta di cobalto agli acciai inossidabili al cromo-nichel ne migliora la resistenza alla corrosione e le proprietà meccaniche anche a elevate temperature. GRUPPO METALLI LEGGERI Alluminio Al Magnesio Mg Titanio Ti ALLUMINIO • • • • Simbolo: Al Massa volumica: 2700 kg/m3 Punto di fusione: 658°C Carico di rottura: 100 ÷ 180 N/mm2 • Durezza Brinell: 20 ÷ 40 HBS • Colore: Bianco argenteo ALLUMINIO L’alluminio è il metallo presente in percentuale maggiore in natura. Si ricava dalla BAUXITE che contiene ossidi e idrossidi di alluminio dal 40÷70%. Il processo produttivo avviene in due fasi: 1a fase - Si ottiene l’ossido di alluminio, ALLUMINA. 2a fase - Trattamento elettrolitico si ottiene l’alluminio di PRIMA FUSIONE. Il processo è molto costoso: per produrre 1 Kg si consumano 14÷17 KWh Proprietà dell’ALLUMINIO • Grande attitudine a legarsi con altri materiali • Buona predisposizione ai trattamenti termici • Buone caratteristiche meccaniche • Elevata conducibilità elettrica • Alta resistenza alla corrosione • Ottima lavorabilità sia a caldo sia a freddo • Ottima lavorabilità alle macchine utensili • Ottima predisposizione al recupero • Scarsa saldabilità Impieghi dell’alluminio • Raramente impiegato allo stato puro l’alluminio è usato principalmente in lega con altri metalli, grazie alla sua leggerezza, resistenza meccanica e resistenza alla corrosione è impiegato nei vari campi: Industriale Aereonavale Edilizio Automobilistico • Trattamenti superficiali = Ossidazione anodica( prima spazzolatura, lucidatura e satinatura poi processi elettrolitici con strato di ossido da 20um a 70um trasparente o auto coloratura Leghe di alluminio L'alluminio si presta molto bene a formare leghe con altri metalli in particolare con il rame, il magnesio, lo zinco, il manganese ed il silicio (Al da 85-99%) • Alluminio+manganese e alluminio+manganese+silicio: impiegato in edilizia per serramenti e nell’industria alimentare (contenitori) • Alluminio+rame: industria automobilistica, aereonavale e elementi strutturali • Alluminio+zinco: Famose le leghe autotempranti alta resistenza meccanica • Alluminio+zinco+rame: Lega più resistente a forti sollecitazioni, biciclette • Alluminio+magnesio: leghe ultraleggere notevole resistenza meccanica ridotta massa volumica, imbarcazioni e armi P-Al Mg 4,5 magnesio 4,5% (P= lavorazioni plastiche G=lavorazione a getti) Magnesio • • • • • • Simbolo: Mg Massa volumica: 1740 kg/m3 Punto di fusione: 650°C Carico di rottura: 80 ÷ 120 N/mm2 Durezza Brinell: 55 ÷ 90 HBS Colore: Bianco argenteo • Il magnesio trova impiego nei laboratori chimici per la preparazione dei composti di Grignard, in fotografia (lampo al magnesio), nella preparazione di miscele pirotecniche, e in metallurgia dove è usato quale disossidante di metalli e di leghe, e soprattutto per ottenere leghe particolari(leghe leggere) • • • • TITANIO Simbolo: Ti Massa volumica: 4500 kg/m3 Punto di fusione: 1677°C Carico di rottura: 3700 N/mm2 puro 10000 N/mm2 legato • Durezza Brinell: 120 ÷ 200 HBS • Colore: Bianco lucente • Il titanio è utilizzato specialmente nelle industrie chimica, elettrochimica, aeronautica e missilistica. La sua presenza negli acciai comporta la formazione di carburi stabili: pertanto viene aggiunto in piccole quantità(0,1%) come stabilizzante negli acciai inossidabili e in maggiore quantità, associato al tungsteno, in alcuni acciai da utensili da taglio e per stampi. GRUPPO METALLI NOBILI Oro Au Argento Ag Platino Pt ORO • Simbolo: Au • Massa volumica: 19.320 kg/m3 • Punto di fusione: 1063°C • Colore: Giallo Caratteristiche È un metallo di transizione, tenace, pesante, duttile, malleabile. oro • • • componentistica elettronica: – svolge funzioni critiche in molti computer , apparecchi per telecomunicazioni, motori jet e numerose applicazioni industriali; – trova ampio uso come materiale di rivestimento delle superfici di contatti elettrici, per garantirne la resistenza alla corrosione nel tempo ambito astronautico: – l'oro è usato come rivestimento protettivo di molti satelliti artificiali, data la sua elevata capacità di riflettere sia la luce visibile che quella infrarossi. scopo ornamentale: – l'oro può essere tirato in fili ed inserito in tessuti ed ornamenti; – l'oro bianco - una lega con platino, palladio, nichel o zinco - funge da sostituivo del platino in alcune applicazioni ed in gioielleria; - inoltre tale lega ha un basso coefficiente di dilatazione termica argento • • • • Simbolo: Ag Massa volumica: 10.49 kg/m3 Operazione in corso Immagine non disponibile • Punto di fusione: 961° • Colore: Bianco argenteo lucente Caratteristiche È un metallo , tenero, duttile, malleabile, ottima conducibilità termica e elettrica,resistente alla corrosione. argento • Per produrre contatti ad elevata conduttività in manufatti elettrici ed elettronici, ad esempio i contatti elettrici delle tastiere. • Per produrre specchi con una maggiore riflettenza; gli specchi comuni sono fatti con alluminio. • Per il suo splendore viene usato per produrre articoli di gioielleria e set di posate e articoli da tavola (l'argenteria), prodotti tradizionalmente con l'argento sterling, una lega che contiene il 92,5% di argento. PLATINO • • • • Simbolo: Pt Massa volumica: 21.45 kg/m3 Punto di fusione: 1405°C Colore: Bianco grigio Caratteristiche È un metallo , duttile, malleabile,resistente alla corrosione. • La sua resistenza alla corrosione e all'ossidazione lo rende adatto per produzioni di gioielleria. GRUPPO METALLI REFRATTARI Tungsteno Wn Molibdeno Mo Vanadio Vi Manganese Mn Cromo Cr Tungsteno o Wolframio • • • • • Simbolo: w Massa volumica: 10.25 kg/m3 Punto di fusione: 3422°C Durezza Brinell 2570 HBS Colore: Bianco grigio Caratteristiche • • • • È un metallo , puro, pesante,resistente alla corrosione. Impiego Le sue proprietà di densità e durezza lo rendono il candidato ideale per leghe pesanti usate in armamenti, dissipatori di calore e sistemi di pesi e contrappesi. Gli acciai rapidi sono spesso delle leghe di tungsteno; ne possono contenere fino al 18%. Le superleghe contenenti questo metallo sono usate in pale di turbine, utensili d'acciaio e parti meccaniche o rivestimenti resistenti all'usura. Mobildeno • • • • Simbolo: Mo Massa volumica: 10.28 kg/m3 Punto di fusione: 2623°C Colore: Bianco Argento Caratteristiche È un metallo , puro, pesante,resistente alla corrosione. • Impiego • L'aggiunta di molibdeno agli acciai ne migliora notevolmente le qualità meccaniche e la resistenza alla corrosione: il molibdeno viene quasi sempre aggiunto in percentuale relativamente modesta accanto ad altri metalli di lega come per esempio negli acciai inossidabili ad alta resistenza alla corrosione utilizzati per molti impianti chimici. • • • • Vanadio Simbolo: V Massa volumica: 6110 kg/m3 Punto di fusione: 1902°C Colore: Bianco Lucente Caratteristiche È un metallo , puro, pesante,resistente alla corrosione. • Impiego • • • • Circa l'80% del vanadio prodotto viene usato come lega ferrovanadio o come additivo per l'acciaio. Tra gli altri usi rientrano leghe metalliche quali: – acciai inossidabili speciali, ad esempio per produrre ferri chirurgici; – acciai per utensili ad alta velocità e resistenti alla ruggine; – mescolato a leghe di alluminio e titanio, usato nei motori jet ed in applicazioni aeronautiche. per via della piccola sezione d'urto con i neutroni di fissione, viene impiegato nell'industria nucleare. il vetro rivestito di diossido di vanadio blocca la radiazione infrarossa (ma non la luce visibile) ad alcune specifiche temperature. Manganese • • • • Simbolo: Mn Massa volumica: 7470 kg/m3 Punto di fusione: 1244°C Colore: Grigio Bianco Caratteristiche: Duro e molto fragile, si può fondere solo con difficoltà e si ossida molto facilmente. Il manganese metallico diventa ferromagnetico solo dopo un trattamento specifico. Impiego : La produzione mondiale dell’acciaio e altri materiali assorbe attualmente 85%al 90% della produzione mondiale .Manganese componente chiave per acciai inossidabili e di alcune di alluminio di largo impiego. • • • • • • Cromo Simbolo: Cr Massa volumica: 7200 kg/m3 Punto di fusione: 1875°C Carico di rottura: 240 ÷ 480 N/mm2 Durezza Brinell: 70 HBS Colore: Bianco splendente Caratteristiche : Fonde con difficoltà é molto resistente alla corrosione. Impiego :In metallurgia, per conferire resistenza alla corrosione ed una finitura lucida. Cromatura. GRUPPO METALLI RADIOATTIVI Uranio U Torio T h Radio Ra Plutonio Pu Uranio • • • • Simbolo: U Massa volumica: 190.50 kg/m3 Punto di fusione: 1132°C Colore: Bianco Argento Caratteristiche: Malleabile,duttile,poco più tenero dell’acciaio. Impiego: reattori nucleari,armi nucleari. • • • • • • • • • Torio Simbolo: Th Massa volumica: 1172 kg/m3 Punto di fusione: 1755°C Colore: Bianco Argento Caratteristiche: Leggermente radiativo. Impiego: Il torio è usato per rivestire i fili di tungsteno negli apparecchi elettronici. Il torio è stato usato in elettrodi per saldatura e ceramiche resistenti al calore. Il suo ossido è usato per controllare la dimensione della grana del tungsteno usato nei filamenti delle lampadine elettriche. Il suo ossido è usato per crogioli da laboratorio per alte temperature. L'ossido di torio aggiunto al vetro permette di creare vetri cobalto indice di rifrazione e dispersione molto bassa. Perciò trova applicazione lenti di grande qualità per macchine fotografiche. Radio • • • • Simbolo: Ra Massa volumica: 5000 kg/m3 Punto di fusione: 700°C Colore: Bianco Argento Caratteristiche: Elemento dei più radiativi. Impiego: Il radio si usa in medicina per produrre gas radon, utile per la terapia di alcuni tipi di tumore . Plutonio • • • • Simbolo: Pu Massa volumica: 19816 kg/m3 Punto di fusione: 700°C Colore: Bianco Argento Caratteristiche: • Il plutonio puro è un metallo argenteo, ma ingiallisce quando si ossida . Impiego: • Il plutonio puro è un metallo argenteo, ma ingiallisce quando si ossida . Curiosamente, il plutonio subisce una contrazione di volume all'aumentare della temperatura. • Il calore prodotto dal decadimento alfa rende il plutonio sensibilmente caldo al tatto; grandi quantità possono far bollire l'acqua. Terre rare Lantanio La Cerio Ce Neodimio N d Samario Sm Lantanio • • • • Simbolo: La Massa volumica: 6146kg/m3 Punto di fusione: 920°C Colore: Bianco Argento Caratteristiche: • Leggero ,metallico,malleabile, duttile, tenero. Impiego:è usato nella manifattura di speciali vetri ottici come: – Vetro assorbente gli infrarossi. – Lenti per fotocamere e telescopi, per via dell'alto indice rifrattivo e della bassa dispersione dei vetri alle terre rare. Cerio • • • • Simbolo: Ce Massa volumica: 6146 kg/m3 Punto di fusione: 798 °C Colore: Argento Caratteristiche: • Malleabile, duttile, tenero. Impiego:il cerio è utilizzato nella produzione delle leghe di alluminio e di alcuni acciai. • L'aggiunta di cerio alle fusioni in ferro evita la grafitizzazione e consente la produzione di ferro malleabile. • • • • Neodimio Simbolo: N d Massa volumica: 6800 kg/m3 Punto di fusione: 1024 °C Colore: Argento Lucente Caratteristiche: Si ossida facilmente. Impiego:Come componente del didimio, utilizzato per la colorazione degli occhiali e degli schermi per saldatori. L'utilizzo come colorante per vetri consente di ottenere delicate tonalità che variano dal violetto al rosso-vino. Samario • • • • Simbolo: Sm Massa volumica: 7353 kg/m3 Punto di fusione: 1072 °C Colore: Argento Caratteristiche: Abbastanza stabile con l’aria. Impiego:l'ossido di samario è usato per produrre vetri capaci di assorbire la luce infrarossa
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