Si definisce lega una miscela allo stato solido di due o più elementi, di cui quello base è un metallo.

Questi materiali mantengono le caratteristiche proprie dei metalli: lavorabilità, elevata conducibilità elettrica e termica. Inoltre possiedono alcune caratteristiche, tra cui la principale è la resistenza meccanica, che gli elementi metallici spesso non hanno. A temperatura ambiente le leghe sono solide ad eccezione degli amalgami, le leghe con mercurio.

La struttura delle leghe è assai più complessa di quella dei metalli allo stato puro, dato che ne fanno parte due o più tipi di atomi con dimensioni differenti.

Grazie però alla struttura e alla natura particolare del legame nei solidi metallici, è abbastanza facile introdurre nei cristalli di un metallo atomi di un altro elemento. Fondendo insieme metalli diversi (o i minerali che ne contengono i composti) si possono ottenere leghe che, a seconda della loro struttura particellare, vengono distinte in leghe di sostituzione e leghe interstiziali.

Nelle leghe di sostituzione, ioni di un altro metallo sostituiscono altrettanti ioni nel reticolo cristallino del metallo principale; perché ciò accada, gli ioni dei due metalli devono avere dimensioni simili. è il caso dell’ottone, una lega rame-zinco.

Nelle leghe interstiziali, atomi di piccole dimensioni si collocano nelle cavità del reticolo del metallo principale. Un tipico esempio è rappresentato dall’acciaio, una lega in cui tra gli ioni di ferro sono presenti atomi di carbonio, in una percentuale variabile da 0,2% a 1,5%.

In una lega si possono avere casi diversi in base alle azioni mutue fra gli atomi:

-soluzione solida disordinata se atomi diversi si attraggono con forze simili a quelle tra atomi uguali, con conseguente distribuzione atomica omogenea e casuale;

-soluzione solida ordinata se atomi, tutti metallici, diversi si attraggono con forze diverse;

-composto intermetallico se atomi diversi hanno elettronegatività marcatamente differente e la struttura acquista quindi alcune caratteristiche proprie di un composto chimico; nel caso limite in cui un componente sia così elettronegativo da realizzare un composto ionico (per esempio non metalli come S8, O2, Cl2), si ha un composto chimico e non una lega;

-lega eutettica se atomi diversi si attraggono molto meno che atomi uguali e quindi nascono alternanze di cristalli dell’una e dell’altra composizione, in quanto non esiste solubilità allo stato solido.

Ghisa

La ghisa è una lega ferro-carbonio con tenore di carbonio relativamente alto ottenuta per riduzione o comunque trattamento a caldo dei minerali di ferro. Si suddivide nei seguenti quattro tipi:

– Ghisa lamellare

La ghisa lamellare o ghisa grigia costituisce la tipologia di ghisa più diffusa ed è prodotta con la fusione di rottame di ghisa e di acciaio, con l’aggiunta di elementi grafitizzanti. Il silicio è l’elemento grafitizzante per eccellenza.

A causa delle lamelle, del silicio e del fosforo, spesso si ha fragilità; per ridurla si inocula il bagno con CaSi, che favorisce la nucleazione eterogenea e quindi la formazione di lamelle corte. In ogni caso la fragilità indotta dalla grafite in lamelle mette in secondo piano la costituzione perlitica o ferritica della matrice metallica e rende inutile parlare di snervamento, duttilità e resilienza.

La quantità di grafite è inversamente proporzionale alla velocità di raffreddamento.

– Ghisa duttile

La ghisa duttile (detta anche ghisa sferoidale o ghisa a grafite sferoidale o ghisa nodulare) è una ghisa in cui la grafite, anziché sotto forma di lamelle, si presenta in noduli a forma di sferoidi. I noduli si trovano in una matrice metallica la cui struttura è funzione della composizione chimica del tipo specifico di ghisa, della velocità di raffreddamento al momento della solidificazione e degli eventuali trattamenti termici successivi.

La forma sferoidale della grafite produce una minore concentrazione di tensione rispetto a quella lamellare; inoltre la forma sferica è quella che a parità di volume presenta la minore superficie e la matrice risulta perciò meno danneggiata riuscendo così a sfruttarne meglio le caratteristiche. Inoltre nella ghisa sferoidale i noduli di grafite esercitano un’azione di arresto per le cricche, a differenza della grafite lamellare che offre una via preferenziale per la loro propagazione

– Ghisa malleabile

La ghisa malleabile contiene grafite in forma di fiocchi grazie alla decomposizione termica della cementite presente nella ghisa bianca a seguito di un trattamento termico di ricottura: partendo dalla ghisa bianca non legata, in pezzi di piccolo spessore (e questo è un notevole limite nella produzione di ghisa malleabile), il processo termico prevede un riscaldamento a 950 °C per molte ore in modo da favorire la decomposizione.

La formazione di grafite in fiocchi (in un matrice ferritica o perlitica) conferisce maggiore snervamento e duttilità, avvicinandosi in questo all’acciaio dolce. Alla ghisa vengono aggiunti elementi di lega per migliorarne alcune proprietà ad esempio un tenore di rame tra lo 0.25 e l’1.25% aumenta la resistenza alla corrosione, mantenendo elevata durezza, carico di rottura e di snervamento e duttilità.

– Ghisa bianca

La ghisa bianca è una particolare varietà di ghisa che non contiene carbonio grafitico, ma esclusivamente cementite. Si presenta argentea alla frattura, ha una altissima durezza, resistenza all’usura e alla corrosione ma risulta notevolmente fragile e non lavorabile all’utensile, solo per fusione. In prima approssimazione differisce dalla ghisa grigia per composizione e tempo di raffreddamento. Infatti le ghise bianche si ottengono per rapido raffreddamento e, come già detto, contengono solo cementite, mentre le ghise grigie si ottengono per lento raffreddamento e contengono quantità variabili di perlite e grafite e pertanto risultano più tenaci e lavorabili

Acciaio

L’acciaio è una lega composta principalmente da ferro e carbonio, quest’ultimo in percentuale non superiore al 2,11%: oltre tale limite, le proprietà del materiale cambiano e la lega assume la denominazione di ghisa.

Nel mondo si producono ogni anno oltre 1 miliardo di tonnellate di acciaio[6], ottenute sia dal ciclo integrale con l’affinazione della ghisa dell’altoforno sia con la fusione dei rottami ferrosi, e successivamente lavorate tramite diversi processi di produzione industriale, quali ad esempio la laminazione, la forgiatura, la fusione a cera persa, il trattamento termico e lo stampaggio.

Gli acciai sono leghe sempre plastiche a caldo, cioè fucinabili, a differenza delle ghise. In base al tasso di carbonio gli acciai si dividono in:

• extra dolci: carbonio compreso tra lo 0,05% e lo 0,15%;
• dolci: carbonio compreso tra lo 0,15% e lo 0,25%
• semidolci: carbonio compreso tra lo 0,25% e lo 0,40%;
• semiduri: carbonio tra lo 0,40% e lo 0,60%;
• duri: carbonio tra lo 0,60% e lo 0,70%;
• durissimi: carbonio tra lo 0,70% e lo 0,80%;
• extraduri: carbonio tra lo 0,80% e lo 0,85%.

Oltre al carbonio possono essere presenti degli ulteriori elementi alliganti aggiunti per lo più sotto forma di ferroleghe. In base alla composizione chimica gli acciai si possono distinguere in quattro gruppi:

• acciai non legati sono acciai nel quale i tenori degli elementi di lega rientrano nei limiti indicati dal prospetto I della UNI EN 10020;
• acciai legati sono acciai per i quali almeno un limite indicato del suddetto prospetto I viene superato.

Per convenzione gli acciai legati si suddividono in:

• bassolegati: nessun elemento al di sopra del 5%,
• altolegati: almeno un elemento di lega al di sopra del 5%.

L’acciaio può essere sottoposto a diversi tipi di trattamenti termici che hanno influenza sul loro comportamento meccanico. I più importanti fra questi trattamenti sono:

Tempra

La tempra consiste nel riscaldare l’acciaio fino a temperature superiori a quelle in cui si ha la trasformazione in austenite (soluzione solida di carbonio nel ferro ottenibile con temperature superiori a 768°C) e nel raffreddarlo poi rapidamente con un mezzo opportuno (olio, acqua, aria); alle basse temperature la velocità di trasformazione di fase cade a valori trascurabili e si ottengono in questo modo, negli acciai a temperatura ambiente, microstrutture metastabili che impartiscono alla lega qualità pregiate come la durezza superficiale e la resistenza meccanica.

Ricottura

La ricottura consiste nel riscaldare l’acciaio sopra la temperatura di trasformazione di fase e nel mantenerlo a tale temperatura in modo di favorirne la trasformazione raffreddandolo poi a velocità controllata.

Bonifica

La bonifica consiste in un ciclo termico comprendente tempra e rinvenimento ed ha lo scopo di ottenere un compromesso fra le diverse caratteristiche degli acciai.

Normalizzazione

La normalizzazione Consiste in un riscaldamento di austenitizzazione seguito da un raffreddamento in aria calma. Il suo scopo è quello di regolarizzare e ridurre i cristalli presenti negli acciai (la cosiddetta grana).

Le tecniche di lavorazione dei metalli essi si suddividono in due tipi:

• lavorazioni a caldo;
• lavorazioni a freddo.

Per rifinire i pezzi di metalli ottenuti tramite la lavorazione a caldo vengono utilizzate delle macchine utensili, quali il tornio (tornio plurimandrino o monomandrino), la fresatrice, la limatrice, la piallatrice, ecc.

Bronzo

Il bronzo risale a più di 5000 anni fa. Questo importante metallo è una lega composta da rame e stagno in proporzione che varia leggermente, ma può essere normalmente considerata in nove parti di rame e una di stagno. La composizione delle leghe di bronzo usate nell’antichità è variata molto in funzione delle diverse epoche: da leghe composte da rame e stagno in proporzioni diverse, si passa dal IV secolo a bronzo con alto contenuto di piombo (fino al 40%). Il bronzo che viene normalmente utilizzato oggi per fusioni artistiche è composto dell’89% di rame, del 9% di stagno e un 2% di altri metalli.

Nel reticolo cristallino del rame, alcuni atomi di rame (A in figura) sono sostituiti a caso da atomi di stagno (B in figura). Le proprietà chimiche e meccaniche, e la lavorabilità dei bronzi, variano in funzione del tenore di stagno e di altri elementi presenti come piombo, zinco, argento, fosforo, alluminio, silicio, nichel.

Il bronzo fuso è colato nello stampo. La temperatura di fusione del bronzo diminuisce al crescere della percentuale di Sn. Il rame fonde a temperatura molto alta (Tf = 1084,6 °C), lo stagno a temperatura abbastanza bassa (Tf = 231,93 °C). Questo comporta che, una volta ottenuto il bronzo in lingotti, la successiva lavorazione per fusione e colata, richiede un consumo di energia minore, rispetto al rame puro.

In genere i bronzi contengono sempre elementi aggiunti oltre allo stagno:

• Il fosforo disossida e aumenta la durezza; nei bronzi al fosforo vi è un tenore dello 0,4-0,8%.
• Il piombo viene aggiunto in tenori compresi tra l’1 al 5%. Esso rimane confinato ai bordi dei grani rendendo così più facile la lavorazione alle macchine utensili. Se invece il piombo raggiunge percentuali molto più elevate (dal 10 al 30%) la lega presenta un particolare comportamento alla frizione: per questo sono impiegate per i cuscinetti.
• Lo zinco viene usato come disossidante.
• Il berillio viene aggiunto per aumentare la durezza.

I bronzi vengono usati per numerose applicazioni. Per le monete e le medaglie si usa un contenuto di stagno variabile tra il 3 e l’8 per cento: entro questi margini la resistenza all’usura e alla corrosione si accompagnano ad una discreta coniabilità. Per la fabbricazione di ingranaggi ed organi di trasmissione si usano leghe con stagno dall’8 al 12%. Cuscinetti e boccole, ruote ad ingranaggi sollecitati a forti pressioni, necessitano di un tenore di stagno superiore al 14%, così come gli apparecchi idraulici per alte pressioni.

Le leghe con il 20% e più di stagno sono quelle che vengono utilizzate per parti sollecitate per attrito sotto forte pressione, come i cuscinetti. Anche le campane hanno un alto contenuto di stagno (19-22%). Sopra il 30% di stagno la lega diventa fragile e non ha interesse industriale.

Il bronzo è molto usato dagli scultori per le loro opere, perché molte leghe di bronzo hanno l’insolita e molto utile proprietà di espandersi lievemente poco prima di solidificare, riempiendo ogni minimo vuoto dello stampo che le contiene. Questo permette, nella scultura finita, di rendere perfettamente ogni minimo dettaglio del lavoro dell’artista.

Ottone

L’ottone è una lega inossidabile di rame e zinco, di colore giallastro, largamente impiegata per la costruzione e la copertura di oggetti vari: maniglie, candelabri, lampadari, strumenti a fiato.

L’ottone è un materiale duttile, malleabile e ha una buona resistenza alla corrosione.04

Il sistema rame-zinco prevede una fase omogenea, soluzione solida di zinco in rame, di struttura cubica a faccia centrata (fase α), presente fino a contenuti massimi di zinco fino al 37%.

Una seconda fase omogenea (fase β) cubica a corpo centrato, corrisponde a un rapporto di 1 a 1. Questa fase è caratterizzata da una buona plasticità alle alte temperature e da bassa plasticità a temperatura ambiente.

Su questa base si distinguono gli ottoni da lavorazione a freddo, contenenti circa il 70% di rame  che presentano una buona plasticità e sono impiegati per la produzione di oggetti da stampaggio profondo.

Gli ottoni a tenore di rame di circa il 60% sono invece impiegati nella lavorazione a caldo.

Vengono detti ottoni speciali le leghe che oltre a rame e zinco contengono piccole quantità di altri elementi. Ad esempio l’ottone ammiragliato (resistente alla corrosione) e l’ottone al piombo (dalla buona lavorabilità).

Altri tipi di ottone contengono stagno, alluminio, ferro, nichel, ecc.  e sono caratterizzati da elevata resistenza meccanica. Posso essere ottenute le seguenti  proprietà:

• il manganese e lo stagno aumentano la resistenza alla corrosione;
• il ferro aumenta il carico di rottura;
• l’alluminio aumenta la resistenza alla corrosione e all’abrasione;
• l’antimonio e l’arsenico inibiscono la dezincificazione.
• il nichel migliora le caratteristiche meccaniche e la resistenza alla corrosione;
• il silicio serve a disossidare e favorisce la creazione della fase β.

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