metallurgìa

Descrizione generale

sf. [sec. XVIII; dal greco metallourgéō, estrarre i metalli]. Insieme delle tecnologie utilizzate per estrarre i metalli dai loro minerali, combinarli fra loro e lavorarli in modo da far loro acquistare determinate proprietà e forme. La metallurgia è un'arte antica che, nata nella preistoria, ha accompagnato l'evoluzione della civiltà dell'uomo, entrando a far parte a poco a poco del mondo delle scienze. L'importanza dei materiali metallici è tale che lo sviluppo economico e sociale dell'umanità è stato condizionato dai progressi raggiunti nella produzione e nell'elaborazione dei metalli al punto da caratterizzare le varie epoche a partire dall'era postneolitica. I primi metalli a essere utilizzati furono quelli che si trovano allo stato nativo, quali il rame, l'oro e l'argento, che, possedendo mediocri proprietà meccaniche e in particolare bassa durezza, ebbero prevalente applicazione per oggetti ornamentali. Ma l'origine della metallurgia vera e propria si fa solitamente risalire alla scoperta (attorno al 3500 a. C.) del bronzo, lega di rame e stagno che abbina a una facile fusibilità un'elevata durezza. Con ogni probabilità i primi bronzi furono prodotti accidentalmente, riducendo contemporaneamente minerali di entrambi i metalli; tecniche particolari, frutto di osservazioni empiriche, furono successivamente messe a punto per ottenere leghe, con proporzioni ben individuate dei due metalli, che meglio rispondessero ai più svariati impieghi. La metallurgia, dall'Età del Bronzo, assunse sempre maggiore importanza dal punto di vista sia bellico sia commerciale, come dimostra l'elevato e vario numero di oggetti a noi pervenuti. Con la successiva Età del Ferro, sviluppatasi nel I millennio a. C., si ebbe un nuovo incremento delle attività metallurgiche dovuto soprattutto alle migliori caratteristiche meccaniche delle sue leghe rispetto a quelle del bronzo. Altri metalli utilizzati prima dell'era cristiana furono lo stagno, il piombo (usato correntemente dai Romani per tubazioni, ancore, carenature di navi, ecc.) e lo zinco (la cui scoperta si deve ad antiche popolazioni dell'India). Le tecniche metallurgiche messe a punto dagli antichi non subirono, salvo qualche rara eccezione come nel caso della produzione indiretta del ferro, sostanziali mutamenti sino alla fine del sec. XVII, epoca in cui i metalli correntemente usati erano non più di una decina. Solo nel Settecento, assieme a importanti innovazioni, nella tecnica metallurgica furono introdotti, soprattutto in Europa, nuovi metalli, tra cui cobalto, platino e nichel, mentre nell'Ottocento nuovi procedimenti metallurgici (che portarono tra l'altro alla produzione dell'alluminio) consentirono con mutamenti dei cicli produttivi di sfruttare minerali sempre più poveri e di raggiungere sempre maggiori gradi di purezza dei metalli. In questi secoli inoltre si incominciò a intuire la struttura cristallina dei metalli, fondamentale agli effetti delle lavorazioni metallurgiche. Un decisivo sviluppo delle conoscenze metallurgiche si ebbe nella seconda metà dell'Ottocento, grazie all'introduzione delle tecniche metallografiche, con le quali si iniziò a indagare le strutture dei materiali metallici mediante il microscopio ottico. Nel sec. XX la disponibilità di nuovi metodi di indagine, quali per esempio la diffrazione a raggi X e la microscopia elettronica, unitamente ai progressi teorici, che portarono alla formulazione di nuove teorie, riguardanti in particolare i modelli atomici e i difetti reticolari, hanno permesso non solo di meglio comprendere il comportamento dei materiali metallici ma anche di mettere a punto nuove leghe appositamente ideate per impieghi specifici. Le conoscenze metallurgiche moderne hanno subito un tale sviluppo da rendere indispensabile una suddivisione degli argomenti in tre settori: metallurgia chimica e di processo, che si occupa essenzialmente dell'estrazione dei metalli dai minerali mediante metodi economicamente vantaggiosi; metallurgia fisica, che indaga l'intima struttura dei materiali metallici e suggerisce i trattamenti più idonei per fare acquistare a essi le migliori proprietà; metallurgia applicata, che s'interessa delle proprietà meccaniche di base, delle relazioni esistenti tra queste e i dati di progettazione, dello studio dei metodi di lavorazione dei metalli e infine dei problemi riguardanti la scelta dei materiali più appropriati per le diverse applicazioni e il loro comportamento in esercizio.

Metallurgia chimica e di processo

Tale settore della metallurgia può essere suddiviso in una serie di procedimenti tecnologici che portano dal minerale al metallo puro, attraverso una successione di operazioni; in particolare si possono distinguere: i trattamenti preliminari che servono a trasformare i minerali estratti in prodotti facilmente utilizzabili; la pirometallurgia, o metallurgia termica, che impiega temperature elevate per consentire lo svolgersi delle varie reazioni chimiche necessarie per ottenere i metalli partendo dai loro composti costituenti i minerali; l'idrometallurgia, o metallurgia per via umida, che impiega solventi liquidi, generalmente acquosi, per ottenere la separazione dei metalli dal minerale; l'elettrolisi di sali fusi, che si avvale dell'energia elettrica per realizzare processi elettrolitici di estrazione; la raffinazione, che ha lo scopo di ottenere metalli e leghe pure. Il ricorso sempre più ampio all'impiego dell'energia elettrica ha portato all'elettrometallurgia, che comprende i processi elettrolitici di estrazione e di affinazione e i processi che si avvalgono di forni elettrici (ad arco, a induzione, a resistenza) per realizzare operazioni di prima fusione, di conversione, di affinazione. § Prima di eseguire sui minerali quei processi che permettono di ricavare il metallo, in generale è necessario sottoporli ad alcune operazioni preliminari che ne facilitino il trattamento successivo. Tali processi sono essenzialmente la frantumazione, la macinazione e l'arricchimento. La frantumazione e la macinazione hanno lo scopo di ridurre il minerale a una pezzatura uniforme, di dimensioni adatte alle operazioni di prima fusione o all'arricchimento; i processi di arricchimento consentono di elevare il tenore del metallo nel materiale da utilizzare.

Pirometallurgia

Costituisce la parte più ampia della metallurgia estrattiva e concerne tutti quei processi con i quali, a partire dalla preparazione dei minerali mediante impiego di energia termica, si producono e si purificano metalli e leghe di ogni tipo. La classificazione dei processi di pirometallurgia può essere fatta in base alla modalità con la quale si fornisce l'energia termica, che si può ottenere sia da combustibili tradizionali, solidi, liquidi o gassosi (processi per via ignea), sia dalla combustione di elementi che presentano per l'ossigeno affinità maggiore del metallo che si vuole ridurre, come nel caso dei processi di riduzione metallotermica (vedi alluminotermia) o nei processi di affinazione della ghisa (vedi convertitore) nel corso dei quali la trasformazione in acciaio ha luogo mediante eliminazione di carbonio, fosforo, silicio (elementi cosiddetti termogeni) presenti nel bagno metallico iniziale. Sono processi pirometallurgici anche quelli nei quali l'energia elettrica fornisce esclusivamente il calore necessario perché si abbia la trasformazione o la reazione voluta (per esempio, riduzione e fusione in forno elettrico), mentre rientrano nella piroelettrometallurgia, i processi elettrometallurgici nei quali il metallo è ottenuto per elettrolisi di bagni salini fusi. Per taluni metalli (cromo, molibdeno) in luogo delle operazioni di prima fusione si procede a trattamenti metallotermici.

Idrometallurgia

È l'insieme dei processi di recupero e di raffinazione dei metalli mediante soluzioni acquose di sali metallici. Comprende la lisciviazione dei minerali, la separazione della soluzione di lisciviazione dallo sterile e il recupero dalla soluzione del metallo disciolto. Nella prima fase il minerale, ridotto in pezzatura minuta, viene posto a contatto col solvente, che deve essere un liquido poco costoso, in grado di essere rigenerato e di caratteristiche tali da dissolvere rapidamente il metallo separandolo dalla ganga. Per i minerali solforati il solvente più comune è l'acqua (usata per esempio per estrarre il solfato di rame dal minerale); per gli ossidi si può usare acido solforico diluito (soprattutto per gli ossidi di rame e di zinco); per i carbonati metallici si possono usare soluzioni alcaline (idrossido d'ammonio o carbonato d'ammonio); nel processo Bayer per la purificazione della bauxite si usa soda caustica; nella metallurgia dell'oro e dell'argento vengono usate soluzioni a base di cianuri. La lisciviazione può essere preceduta da trattamenti preliminari al fine di rendere solubili i metalli o i loro composti (per esempio, un arrostimento ossidante che trasformi un solfuro in un solfato o in un ossido). La seconda fase riguarda la separazione della soluzione di lisciviazione dalla ganga residua: vengono impiegati diversi metodi che si basano sulla decantazione e sulla filtrazione. La terza fase riguarda invece l'estrazione del metallo dalla soluzione. Anche per quest'ultima operazione sono possibili diverse tecniche che vanno dall'elettrolisi con anodo insolubile alla riduzione gassosa, all'estrazione con solvente e scambio ionico (tecniche, queste, che danno il prodotto in forma già di metallo); sono impiegate anche tecniche come la separazione per precipitazione o per cristallizzazione, che danno come prodotto un composto metallico che deve essere ridotto a metallo per via pirometallurgica. Industrialmente i processi idrometallurgici sono usati per la produzione del rame, dell'oro, dell'argento, dell'uranio, dello zinco, del nichel, del cobalto, per la purificazione dell'allumina (processo Bayer), ecc. I processi idrometallurgici si sono andati affermando per la loro elevata selettività, per il minor inquinamento atmosferico, per la possibilità di recupero dei sottoprodotti, per le minori dimensioni degli impianti, per la possibilità di ottenere direttamente polveri metalliche.

Elettrolisi di sali fusi

Processo che consente la produzione di metalli partendo dai loro sali e sfruttando la dissociazione elettrolitica allo stato fuso: i sali di metalli che, data la loro elevata elettropositività, non possono essere sottoposti ai consueti processi pirometallurgici vengono dapprima purificati, quindi portati a fusione e sottoposti a trattamento di elettrolisi. Tale tipo di procedimento è applicato per la produzione di alluminio, magnesio, berillio, cerio, litio, sodio, potassio, calcio, ecc. Una cella munita di catodo e anodo e contenente il sale fuso (elettrolita che non ha bisogno di alcun solvente per dissociarsi) rappresenta l'elemento fondamentale dell'impianto, assieme a un sistema di raccolta del metallo fuso (vedi anche cella elettrolitica). Tipico esempio è il processo Hall-Héroult per la produzione di alluminio per elettrolisi di un bagno di criolite e allumina fuse.

Operazioni finali per avere il metallo puro

Una volta ottenuto il metallo grezzo si procede alle operazioni che consentono di avere il metallo o la lega metallica pura. Secondo le tecniche impiegate si avrà un'affinazione, una raffinazione elettrolitica, una distillazione, una purificazione chimica. L'affinazione viene condotta per via termica e consta generalmente di due fasi, una di ossidazione e una di riduzione; è una tecnica impiegata soprattutto per l'acciaio e il rame. Si opera in forni del tipo a riverbero, statici o rotativi, o in forni a suola o in forni elettrici. Per alcuni metalli (per esempio, il piombo) l'operazione risulta molto più complessa. La raffinazione elettrolitica parte dal metallo grezzo che viene utilizzato in qualità di anodo in una cella elettrolitica: l'anodo è dissolto elettroliticamente dal passaggio della corrente, forma ioni che migrano nel bagno elettrolitico al catodo, dove si riformano gli atomi che si depositano sotto forma di metallo raffinato. In campo industriale la raffinazione elettrolitica, che consente un grado di purezza superiore a quello ottenibile con l'affinazione termica, è usata principalmente per rame, nichel, piombo, zinco, e può essere applicata anche per purificare il cobalto, l'oro, l'argento, lo stagno, ecc. La purificazione per distillazione viene impiegata per quei metalli che siano sufficientemente volatili (in pratica per i metalli con punto di ebollizione a pressione atmosferica inferiore a 1000 ºC), come molti metalli alcalini e alcalino-terrosi, il mercurio, lo zinco, ecc. Infine è possibile ottenere un tenore di impurezze bassissimo, anche inferiore a una parte per milione, ricorrendo a metodi termici speciali come la fusione a zone.

Metallurgia fisica

Rappresenta il settore della metallurgia che si occupa di alcune proprietà dei metalli e delle leghe, correlandole alla loro intima struttura: è quella che più ha avuto impulso e che ha consentito di raggiungere i brillanti risultati di questo periodo di progresso tecnologico. Fanno parte di essa lo studio della solidificazione e della fusione dei metalli e delle leghe, della loro struttura cristallina, dei difetti reticolari, delle caratteristiche elettriche ed elettroniche, della diffusione, delle trasformazioni di fase, ecc.

Metallurgia applicata

Rappresenta la parte della metallurgia che più interessa il campo pratico, in quanto studia il comportamento dei metalli e delle leghe metalliche (e quindi dei prodotti realizzati) sotto l'azione delle forze applicate. Comprende la trattazione delle proprietà meccaniche, le relazioni tra queste e i dati di progettazione, la scelta dei materiali e lo studio del loro comportamento in esercizio, e soprattutto l'insieme dei processi tecnologici ai quali vengono sottoposti i metalli per l'ottenimento dei prodotti di base (trattamenti termici e speciali, fucinatura, saldatura, lavorazioni per deformazione plastica a caldo o a freddo, ecc.). Lo studio delle proprietà meccaniche di base, cioè delle caratteristiche di resistenza ai vari tipi di sollecitazione, durezza, deformabilità, plasticità, fragilità, ecc., collega strettamente la metallurgia applicata alla metallurgia fisica, perché tali proprietà dipendono dalle caratteristiche strutturali del materiale metallico, come, per esempio, le dimensioni del grano cristallino, la presenza di stati di incrudimento o di tensione interna, la distribuzione dei difetti reticolari, ecc. La metallurgia applicata si occupa inoltre del comportamento in esercizio dei materiali: infatti, secondo le condizioni in cui si trova a operare l'elemento metallico prodotto, possono insorgere fenomeni di cedimento e rottura per fatica, rotture di schianto per fenomeni di fragilità, deformazioni e rotture per scorrimento viscoso (quando si operi a temperature elevate), fenomeni di usura e di corrosione. È quindi importante studiare gli interventi che devono essere attuati in fase di progetto, dal punto di vista della scelta del materiale, del disegno del pezzo, del tipo di trattamento termico, termochimico o meccanico, del tipo di finitura superficiale, ecc. La metallurgia applicata studia anche il comportamento dei materiali metallici durante le lavorazioni di deformazione plastica (laminazione, fucinatura, stampaggio, estrusione, trafilatura, ecc.) e, a livello macroscopico, durante la solidificazione e l'ottenimento di getti in operazioni di fonderia (colabilità, fluidità, ritiro, ecc.). Infine la metallurgia applicata ricerca nuove tecnologie quali quella della metallurgia sotto vuoto, della metallurgia delle polveri, della metallurgia metallotecnica. § Per migliorare la qualità del prodotto, per ottenere una raffinazione più spinta, per evitare il contatto con l'atmosfera da parte di metalli reattivi, alcune operazioni metallurgiche possono essere condotte in condizioni di pressione ridotta o sotto vuoto. Il trattamento sotto vuoto può seguire la normale fusione in atmosfera e ha lo scopo di allontanare i gas disciolti: questo processo è applicato soprattutto nella fabbricazione dell'acciaio e consente di ottenere un prodotto ben degasato e disossidato. Per i metalli non ferrosi si preferisce procedere direttamente alla fusione sotto vuoto in forni a induzione o in forni ad arco, oppure coi nuovi procedimenti di fusione per bombardamento elettronico. È questa una tecnica applicata a metalli altofondenti o reattivi, come il tungsteno, il titanio, il tantalio, lo zirconio, l'uranio, ecc. § La metallurgia delle polveri è una tecnologia che studia la messa a punto dei metodi per la realizzazione di pezzi metallici direttamente da polveri fortemente pressate e successivamente sinterizzate in ambiente a pressione e temperatura appropriate, tali da permettere l'agglomerazione di tutta la massa (vedi sinterizzazione). § Per la metallurgia metallotermica, vedi metallotermia.

Bibliografia

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