METALLURGIA

METALLURGIA

(XXIII, p. 47; App. II, II, p. 300; III, II, p. 77; IV, II, p. 452)

Quello della m., sia sotto il profilo della tecnologia della produzione industriale che sotto quello della ricerca, viene oggi generalmente considerato un settore maturo. Nell'ultimo decennio si è verificato un crescente interesse, ben evidenziato sia a livello di ricerca scientifica sia a livello delle industrie metallurgiche e siderurgiche con la diversificazione produttiva, per tutta una gamma di materiali cosiddetti avanzati. Alcuni di questi fanno ancora parte a tutto diritto del campo dei materiali metallici (per es. i compositi a matrice metallica); per altri, che metallici non sono (per es. le cosiddette ceramiche strutturali), si adottano comunque le metodologie di approccio scientifico e di sviluppo applicativo tipicamente proprie della metallurgia.

Si assiste a una significativa accelerazione del trasferimento di conoscenze di base alla ricerca applicata o tra un campo e l'altro della scienza e all'aumento della ricerca interdisciplinare. Si è accelerata la ricerca per lo sviluppo di nuovi materiali per applicazioni avanzate, ma anche per applicazioni tradizionali (per es. di materie plastiche per parti di autovetture o di materiali ceramici nelle valvole dei motori a combustione interna); tutto ciò in un processo interattivo che procede dalla richiesta del mercato alla ricerca del materiale, ma anche nell'opposta direzione della possibile offerta di materiali nuovi e innovativi per applicazioni vecchie e nuove. Si è anche accelerata la competizione fra materiali diversi reciprocamente sostituibili in molte applicazioni.

Le varie fasi dell'evoluzione dei materiali sono state spesso descritte negli ultimi tempi come in fig. 1: dallo stadio iniziale della ricerca e sviluppo, a quello seguente del successo applicativo caratterizzato da una rapida crescita quantitativa, per poi passare alla fase della maturità, con crescita in un primo tempo proporzionale a quella del prodotto nazionale lordo (PNL), ma successivamente inferiore.

In questo quadro evolutivo dei materiali per l'ingegneria, si osserva che la m. si colloca in una duplice posizione. Da un lato con materiali metallici tradizionali e di massa in fase di piena maturità di produzione e di applicazione, caratterizzata anche da situazioni di crisi industriale, almeno nei paesi più industrializzati: per es. l'acciaio comune al carbonio negli Stati Uniti e nei paesi europei della CEE. Dall'altro con prodotti metallici innovativi a elevato valore aggiunto, ottenuti spesso con sofisticate tecnologie di fabbricazione e di alto standard qualitativo. Si è dunque in presenza di una situazione estremamente varia dall'uno all'altro settore della m.: taluni in fase di piena maturità, il che non significa che siano privi di evoluzioni anche importanti (v. anche fig. 2); altri nella fase della ricerca iniziale e che ancora debbono percorrere quella successiva della crescita applicativa in caso di successo.

Tra i settori della m. attualmente in più vivace evoluzione sono da considerare quello della m. delle polveri (PM), quello dei materiali compositi a matrice metallica, e quello dei rivestimenti e trattamenti superficiali.

I progressi della PM sono da riportare alle nuove tecniche di produzione di polveri metalliche da sinterizzare, mediante solidificazione rapida in gas inerte (RST) o mediante la tecnica di alligazione meccanica (v. anche leghe, in questa Appendice), e agli sviluppi delle tecnologie di compattazione e sinterizzazione (quale la pressatura isostatica a caldo: HIP), che consentono di ottenere componenti per la via PM di densità molto vicina a quella teorica. Questi inoltre possono unire una geometria complessa con tolleranze dimensionali particolarmente ristrette e richiedenti quindi limitate operazioni di finitura; vi è anche interesse applicativo a materiali difficilmente lavorabili per la grande durezza o le cattive proprietà di duttilità (come certi acciai per utensili). La tecnica di PM viene anche definita, con termine anglosassone, di near net shape forming; essa inoltre consente di eliminare i complessi problemi qualitativi connessi con il processo di solidificazione, quali ritiro e segregazione, con le disomogeneità di composizione chimica e strutturali conseguenti; si realizza anche la possibilità di elevate alligazioni con minori difficoltà rispetto alle tecniche tradizionali di fucinatura o fonderia.

Il trattamento delle superfici per ricoprimento costituisce un'applicazione del concetto di base secondo cui bisogna mirare a che un materiale presenti la combinazione ottimizzata tra proprietà favorevoli di massa (per es. basso costo e tenacità) e determinate proprietà di superficie, quali la resistenza all'usura e alla corrosione e/o ossidazione a caldo. Negli ultimi anni sono state sviluppate nuove tecniche di trattamento delle superfici, quali quelle di deposizione per via chimica (CVD) o per via fisica da fase vapore (PVD), l'impiantazione con ioni di elevata energia (35÷200 keV), la borurazione e i rivestimenti multicomponenti (per es. con boro, cromo e titanio), i trattamenti mediante plasma (plasma spraying), i trattamenti superficiali con cannone elettronico ad alta velocità di scansione (EBHSS, Electron Beam High Speed Scan system).

I materiali compositi hanno avuto i loro primi sviluppi negli anni Sessanta e trovano oggi richieste applicative nei settori del trasporto, soprattutto in quello aereospaziale. Si tratta di sistemi eterogenei costituiti da una matrice di tipo polimerico, metallico o ceramico, in cui sono disperse particelle rinforzanti sotto forma di fibre più o meno allungate o anche tondeggianti. Le proprietà del composito dipendono in modo notevole dal comportamento dell'interfaccia matrice-particella di rinforzo, in particolare in relazione alla capacità di adesione e di trasferimento delle sollecitazioni dall'una all'altra.

Nei compositi a matrice metallica (MMC) si sono impiegati vari tipi di leghe, quali: leghe a base di alluminio, leghe alluminio-litio, leghe a base di magnesio, leghe a base di titanio, recentemente anche leghe a base di composti intermetallici (γ TiAl). La matrice può essere rafforzata con diverse sostanze: grafite, ossidi, carburi, nitruri, boruri, whiskers metallici e ceramici, fibre di materiali metallici (anche acciaio trafilato). Fra i metodi di fabbricazione dei compositi a matrice metallica citiamo: l'infiltrazione sotto pressione (squeeze-casting), che ha trovato applicazioni nella fabbricazione di componenti per autovetture, la dispersione dei rinforzanti in una lega in parte solidificata (rheocasting), le tecniche proprie della m. delle polveri.

Bibl.: Atti del World materials congress, American Society for Metals, Chicago, settembre 1988; Atti della International conference on evolution of advanced materials, Associazione Italiana di Metallurgia, Milano, maggio-giugno 1989; R.I. Guthrie, Engineering in process metallurgy, Oxford 1989; I.J. Polmear, Light alloys: metallurgy of the light metals, New York 1989²; Fabrication of particulate reinforced metal composites. Proceedings of National Research Council Canada and ASM's 1990 Conference, a cura di J. Masounave e F.G. Hamel, Chicago 1990; Evolution and optimization of metallurgical performance, a cura di D. Malhotra, R.R. Klimpel e A.L. Mular, Littleton 1991; D.A. Brandt, Metallurgy fundamentals, South Holland 1992.