Tipi di metallo: proprietà, applicazioni e usi

Tipologie di metalli: guida alle proprietà, alle applicazioni e agli usi industriali

Conoscere i tipi di metalli disponibili è il primo passo fondamentale per prendere decisioni oculate sui materiali in qualsiasi progetto di saldatura, lavorazione meccanica o ingegneria. Dai pali in acciaio al carbonio che sorreggono i grattacieli alle lastre di titanio biocompatibili, i metalli costituiscono il tessuto stesso del mondo moderno, spesso senza che ce ne accorgiamo. Ecco una semplice spiegazione dei tipi di metalli, un confronto delle loro proprietà quantificabili e una tabella che illustra il loro utilizzo ideale.

Che cos'è un metallo? Definizione e struttura atomica

Per definizione, un metallo è un elemento chimico che si ionizza facilmente formando ioni positivi (cationi) e che forma legami metallici tra gli ioni positivi. Questi legami chimici producono un "mare" di elettroni liberi in costante movimento in tutta la struttura cristallina. Ciò spiega le proprietà osservate in tutti i metalli: elevata conduttività elettrica e termica, malleabilità, duttilità e, una volta lucidati, lucentezza.

È proprio questa condivisione di elettroni che ci permette di avere un filo di rame percorso da corrente e una trave d'acciaio che si piega e si spezza al suo passaggio. Gli elettroni delocalizzati nei metalli consentono a uno strato di atomi di scorrere l'uno sull'altro sotto sforzo senza rompere i legami, come può accadere con la ceramica o il vetro, che si spezzano invece di piegarsi. Questa delocalizzazione degli elettroni conferisce ai metalli la loro duttilità, ovvero la loro malleabilità, quando vengono trafilati in fili sottili o martellati in lamiere.

Se hai mai provato a lavorare contro il metallo su una pressa piegatrice per piegare il metallo Avrete visto come si esegue la saldatura metallica in pratica.

In generale, la tavola periodica è prevalentemente occupata da metalli nella parte centro-sinistra, tra cui i metalli di transizione del blocco d, come ferro, rame, nichel, titanio e cromo, che sono i principali utilizzati nella produzione industriale. I metalli alcalini, come litio e sodio, e i metalli alcalino-terrosi, come magnesio e calcio, si trovano all'estrema sinistra, ma sono talmente reattivi che nessuno di essi è adatto ad applicazioni strutturali allo stato nativo. Nel complesso, 94 dei circa 118 elementi conosciuti possono essere identificati come metalli.

Due di questi 94 elementi metallici sono liquidi alla normale temperatura ambiente: il mercurio e il gallio.

Lo stato liquido a temperatura ambiente è piuttosto insolito nella tavola periodica, in una famiglia di stati generalmente caratterizzata dalla forza dell'elemento allo stato solido.

Dal punto di vista dell'ingegneria pratica, i metalli si dividono in tre grandi gruppi:

• Les métaux ferreux – Ferronickel, Argent ferreux… Contiennent du fer. (es: acier, fonte, fer…)
• Metalli non ferrosi – nessun contenuto di ferro (Alluminio, rame, titanio, zinco)
• Leghe – Miscele ingegnerizzate di due o più elementi, di cui almeno uno metallico (ottone, bronzo, Inconel)

Supponiamo che ciascuna sezione dell'elenco seguente introduca un gruppo di metalli che viene studiato individualmente in modo approfondito, quindi confronti le proprietà misurabili di ciascuno e dimostri in quali applicazioni ciascun gruppo di metalli eccelle realmente.

Caratteristiche chiave dei metalli che ne determinano la selezione industriale

La scelta di un metallo per un progetto non si basa mai su un singolo valore numerico. Un produttore considera il rapporto resistenza/peso, le specifiche di conduttività, le caratteristiche di corrosione nell'ambiente di utilizzo effettivo, e infine valuta il budget e la lavorabilità. Nella tabella sottostante vengono presentati sei metalli tipici dell'ingegneria, con i parametri di maggiore importanza.

La resistenza alla trazione indica quanta tensione un metallo può sopportare prima di incrinarsi. In questa categoria, il titanio primeggia con 950 MPa, motivo per cui tra i principali utilizzatori a livello mondiale figurano gli ingegneri aerospaziali, che lo impiegano per la realizzazione di carrelli di atterraggio e pale di turbine. All'estremità inferiore della scala, lo zinco può sopportare solo 37 MPa, il che significa che viene utilizzato per rivestimenti e involucri pressofusi, ma non per applicazioni strutturali.

La conduttività elettrica viene misurata come percentuale dello standard IACS (International Annealed Copper Standard). Il 100% corrisponde al rame puro. L'alluminio ha una conduttività del 43% secondo lo standard IACS, non certo il miglior conduttore elettrico, ma sufficientemente leggero da poter essere utilizzato per i cavi ad alta tensione delle linee aeree, con un peso per volume pari a un terzo di quello del rame. Il titanio si trova in fondo alla classifica, con solo il 3%, il che lo rende inutilizzabile per i cablaggi, ma più che ideale come materiale per impianti nel corpo e nella testa, dove la conduttività elettrica sarebbe solo dannosa.

La resistenza alla corrosione si basa sulla capacità del metallo di formare uno strato protettivo di ossido. La capacità dell'alluminio di formare naturalmente uno strato di ossido di silicio (AlO) che funge da barriera protettiva è davvero notevole: non è nemmeno facile creare artificialmente uno strato così spesso e protettivo. L'acciaio inossidabile richiede una percentuale minima del 10.5% di cromo nel metallo base affinché si possa formare uno strato di ossido di cromo. L'acciaio al carbonio dolce non trattato, contaminato anche solo da tracce dell'elemento che conferisce all'acciaio inossidabile la sua elevata resistenza alla corrosione, si corrode rapidamente in ambienti umidi e salini, a meno che non venga verniciato, zincato o protetto in altro modo.

Quali tipi di metalli sono magnetici?

I magneti attraggono diversi metalli in tre modi differenti. I materiali ferromagnetici attraggono i magneti in modo estremamente forte e sono gli unici metalli in grado di diventare magneti permanenti. Questi sono gli unici metalli che i mandrini magnetici possono bloccare durante la lavorazione. I materiali diamagnetici, come l'oro e il rame, sono di fatto repulsivi per un campo magnetico; per rilevarne la presenza sarebbe necessario utilizzare apparecchiature di laboratorio. I materiali paramagnetici, come l'alluminio o il titanio, presentano un'attrazione magnetica molto debole, praticamente impercettibile a occhio nudo. Nell'industria, la regola generale è semplice: se un metallo si attacca a un magnete, allora contiene ferro, nichel o cobalto.

“Tutti i metalli sono un compromesso. Elevata resistenza, leggerezza, resistenza alla corrosione e prezzo contenuto raramente si combinano in un'unica lega. Il problema dell'ingegnere meccanico è capire quali due o tre proprietà siano più importanti per il cliente e accontentarsi delle altre”.
— Principio di ingegneria dei materiali, parafrasato dalle linee guida di ASM International

Metalli ferrosi: acciaio, ghisa e leghe a base di ferro

Oltre il 90% dei metalli mondiali è ferroso, ovvero a base di ferro. Nel 2024 sono state prodotte oltre 632 milioni di tonnellate di acciaio grezzo, una quantità sbalorditiva che supera di gran lunga la produzione di tutti gli altri metalli messi insieme. C'è un'ottima ragione per questo. Il ferro è abbondante, esistono le infrastrutture per trasformare il minerale in metallo e le proprietà fisiche dell'acciaio possono essere modificate in modo estremamente preciso, fino a quasi impercettibile, semplicemente aggiungendo elementi come il carbonio e altri elementi di lega.

Acciaio al carbonio

L'acciaio al carbonio viene classificato in base alla sua percentuale di carbonio:

• Acciaio dolce a basso tenore di carbonio (<0.25% C) – Saldabile, formabile, lavorabile. L'AISI 1018 è la qualità standard per impieghi generali, utilizzata per staffe, dispositivi di fissaggio ed elementi strutturali. Resistenza alla trazione di circa 440 MPa.
• Acciaio a medio tenore di carbonio (0.25-0.60% C) – Più resistente e duro, utilizzato per assali, ingranaggi e binari ferroviari nel settore automobilistico. L'acciaio AISI 1045 ha una resistenza alla trazione tipica di circa 585 MPa.
• Acciaio ad alto tenore di carbonio (0.60-2.0% C) – Molto duro, utilizzato per utensili da taglio, molle e fili. Trattabile termicamente per raggiungere una durezza estremamente elevata, ma presenta una microstruttura molto fragile e una scarsa saldabilità.

Acciaio inossidabile

Gli acciai inossidabili devono contenere almeno il 10.5% di cromo per poter essere definiti tali. Il cromo forma uno strato di ossido invisibile sulla superficie, conferendo un'eccezionale resistenza alla corrosione. Tre tipologie di acciaio inossidabile rappresentano la stragrande maggioranza degli impieghi industriali:

• 304 (18% Cr / 8% Ni) – L'acciaio inossidabile più utilizzato al mondo. Trova impiego nell'industria alimentare, nei lavelli da cucina, nelle finiture architettoniche e nei serbatoi per l'industria chimica. Non magnetico allo stato ricotto.
• 316 (16% Cr / 10% Ni / 2% Mo) – L'aggiunta di molibdeno garantisce un'eccellente resistenza alla corrosione da cloruri. Specificato per componenti navali, apparecchiature farmaceutiche e architettura costiera. Costo superiore di circa il 20-30% rispetto al 304.
• 430 (17% Cr, senza nichel) – Una lega ferritica magnetica, più economica della 304, adatta per pannelli decorativi, finiture di elettrodomestici e sistemi di scarico per autoveicoli.

Per i progetti che coinvolgono taglio laser in acciaio inoxSia l'acciaio inossidabile 317 che il 316 presentano un profilo di taglio netto quando vengono tagliati con un laser a fibra con la potenza e le impostazioni del gas appropriate, ma il 316 richiede una potenza leggermente maggiore a causa del suo maggiore contenuto di molibdeno.

Acciaio legato

Gli acciai legati utilizzano combinazioni di cromo, molibdeno, vanadio, nichel ecc. per produrre proprietà funzionali:

• La lega 4140 (Cr-Mo) offre un'eccellente tenacità e resistenza alla fatica, il che la rende comunemente utilizzata nei collari di perforazione per petrolio e gas, negli alberi di trasmissione e negli elementi di fissaggio sottoposti a forti sollecitazioni.
• La lega 4340 (Ni-Cr-Mo) è una lega di grado aerospaziale con un'elevatissima resistenza in profondità, utilizzata nei carrelli di atterraggio, negli ingranaggi di trasmissione e negli utensili per impieghi gravosi.

Ghisa

• La ghisa grigia (3-4% C) è estremamente fragile ma molto efficace nell'assorbire e smorzare le vibrazioni. Questo la rende il materiale di base ideale per macchine utensili e blocchi motore. Le scaglie di grafite presenti nella microstruttura convertono l'energia vibratoria in calore.
• La ghisa duttile (o nodulare) contiene grafite in noduli sferici anziché in scaglie, migliorando notevolmente la resistenza agli urti e la duttilità. Viene utilizzata per raccordi di tubi, alberi a gomiti e ingranaggi per impieghi gravosi.
• La ghisa bianca è molto dura e resistente all'usura. Veniva utilizzata per realizzare rivestimenti antiabrasione per mulini a sfere e pompe per fanghi.

Il ferro battuto incandescente, materiale storicamente importante per cancelli, ringhiere e catene, ha ceduto il passo agli acciai dolci, più economici e lavorabili. I moderni prodotti in ferro "battuto" sono solitamente realizzati in acciaio dolce e sagomati per assomigliare al ferro battuto.

Quali tipi di ruggine si formano sui metalli?

La "ruggine" è una particolare reazione chimica: si verifica quando il ferro interagisce con l'ossigeno e l'umidità, creando uno strato di ruggine (ossido ferroso, FeO) che causa l'indebolimento e la sfaldatura dell'acciaio vecchio. Tutti i metalli ferrosi sono vulnerabili perché il termine "ferroso" indica la presenza di una certa quantità di ferro nella loro struttura. L'acciaio al carbonio dolce si arrugginisce più rapidamente in presenza di nebbia salina o elevata umidità. Anche gli acciai legati, come il 4140, sono soggetti a ruggine se non lubrificati, verniciati o protetti in altro modo.

Nel caso dell'acciaio inossidabile, la barriera contro la ruggine è costituita dall'ossido di cromo, e la lega è definita "resistente" piuttosto che "antiruggine". In particolare, l'acciaio inossidabile di grado 304 può subire corrosione per vaiolatura in ambienti contenenti cloruri (acqua di mare, sali disgelanti, soluzioni saline) a temperature superiori a circa cinquanta gradi centigradi. Per questo motivo, le specifiche per gli impianti navali e chimici prevedono l'utilizzo dell'acciaio inossidabile 316, il cui contenuto di molibdeno del 2% previene tale attacco.

La maggior parte degli altri metalli non ferrosi non sono magnetici e non arrugginiscono perché non contengono ferro. Subiscono comunque diverse forme di corrosione: l'alluminio produce un ossido di alluminio bianco e polveroso, mentre il rame crea l'affascinante patina verde che si forma su vecchi tetti e statue. Questi strati di ossido sono in realtà resistenti a successivi attacchi, a differenza dell'ossido ferroso, che si sfalda e diventa sempre più fastidioso quanto più si cerca di tenerlo sotto controllo.

Metalli non ferrosi: alluminio, rame, titanio e altro ancora

I metalli non ferrosi non contengono ferro, il che significa che non si ossidano allo stesso modo, poiché tale processo dipende dalla presenza di ferro. Sono spesso non magnetici e più resistenti alla corrosione rispetto ai materiali ferrosi, più conduttivi, più leggeri, ma anche più costosi e talvolta richiedono metodi di produzione diversi.

Alluminio

L'alluminio è presente in maggiore quantità nella crosta terrestre, costituendo l'8.2% della crosta stessa, e si colloca al secondo posto per concentrazione dopo l'ossigeno. Nonostante ciò, fino alla scoperta della tecnologia Hall-Héroult nel 1886, il suo costo superava quello dell'oro. Rappresenta il secondo metallo più diffuso dopo l'acciaio: i suoi pregi risiedono nella bassa densità (2.70 g/cm³), nella resistenza alla corrosione e nella facilità di lavorazione.

La lega di alluminio 7075, pur essendo molto resistente, ha un peso contenuto e una resistenza alla trazione di 570 MPa, che si avvicina a quella dell'acciaio al carbonio medio. Purtroppo, è molto resistente alla saldatura e più costosa della lega 6061.

Poiché l'alluminio riflette quasi il 90% della lunghezza d'onda di un laser a CO2, saldatura laser di leghe di alluminio richiede un controllo accurato della riflessione e della conduzione del calore.

Rame e leghe di rame

Il rame (C11000) definisce il 100% IACS come misura della sua conduttività. Viene utilizzato come riferimento fisso per cablaggi elettrici, sbarre collettrici e scambiatori di calore. Il problema principale è la sua morbidezza: con una resistenza alla trazione di soli 220 MPa, non è in grado di sopportare carichi strutturali.

• La prima lega di rame utilizzata commercialmente, l'ottone, che, se legato con l'altro elemento metallico (zinco), risulta significativamente più duro del rame, intrinsecamente resistente alla corrosione e facile da lavorare, e viene utilizzato per raccordi, strumenti a fiato, ferramenta decorativa e involucri di munizioni.
• Una lega composta da rame e stagno, detta bronzo; offre maggiore resistenza e resistenza alla corrosione in ambiente marino rispetto all'ottone; i suoi usi tradizionali includono eliche navali, cuscinetti e accessori nautici.

Lavorazione laser del rame: è la sua specularità che rende la lavorazione con il laser una vera sfida. A causa dell'elevata riflettività, le sorgenti laser a fibra con una lunghezza d'onda vicina a 1,070 nm sono molto più adatte rispetto alle sorgenti a CO2. Per saperne di più tagliare il rame con il laser.

Titanio

Ti-6AL-4V; la lega di titanio per eccellenza: 950 MPa di resistenza alla trazione a 4.43 g/cm³, l'esempio più rappresentativo di acciaio a media resistenza, con un peso inferiore del 44%. Il mondo si affida al titanio per questo vantaggio nei settori aeronautico, medico e del motorsport ad altissime prestazioni.

Un vincolo di costo che non viene affrontato dal marketing: con un costo al chilogrammo da 25 a 100 volte superiore (a seconda della forma e della qualità) rispetto all'acciaio inossidabile, combinato con un indice di producibilità di appena il 22%, la fabbricazione di componenti in titanio risulta finanziariamente onerosa. Quando il risparmio di peso o la possibilità di produrre il corpo o il prodotto in modo continuativo rendono il componente vantaggioso, il titanio è giustificato; in tutti gli altri casi, l'acciaio inossidabile o l'alluminio rappresentano una scelta migliore e più economica.

Altri metalli non ferrosi

• Lo zinco trova applicazione in diverse aree; la più diffusa è la zincatura, ovvero l'applicazione di un rivestimento di zinco su acciaio o ferro per proteggerli dalla corrosione. La seconda area di applicazione più comune è la pressofusione per la produzione di maniglie per porte e finiture per autoveicoli.
• Il nichel è presente nelle superleghe (Inconel, Hastelloy) utilizzate nelle turbine a gas e nei motori a reazione a temperature superiori a 700 °C; può essere impiegato anche come rivestimento nella galvanica e nelle batterie.
• Lo stagno contribuisce alla formazione di leghe per saldatura utilizzate nell'elettronica, con la stagnatura diffusa nelle lattine per alimenti e nelle costruzioni in bronzo.
• Il piombo è impiegato in circa l'80% della produzione mondiale di batterie, nonché in applicazioni di schermatura dalle radiazioni e di zavorra; tuttavia, la domanda sta diminuendo a causa delle restrizioni normative sulla tossicità.
• I metalli preziosi (oro, argento, platino) hanno trovato impiego in gioielleria, circuiti (legature con filo d'oro), convertitori catalitici (palladio e platino) e investimenti;

Leghe metalliche: come la combinazione di elementi migliora le prestazioni

Una lega è una miscela di un elemento metallico con uno o più altri elementi, metallici o di altra natura. L'obiettivo è ottenere un insieme di proprietà che non sarebbero raggiungibili utilizzando i due o più componenti singolarmente. L'acciaio è una lega: ferro e carbonio. Il bronzo è una lega: rame e stagno. L'intera civiltà commerciale del mondo moderno si basa sulla produzione e lavorazione di leghe piuttosto che di elementi metallici vergini, a causa della generale incapacità dei metalli vergini di soddisfare i requisiti di resistenza, durezza, resistenza alla corrosione o modulo elastico richiesti negli ambienti di utilizzo reali.

La formazione di leghe avviene tramite una "perturbazione a livello atomico". Sacche di atomi estranei distorcono la disposizione regolare dei reticoli cristallini, impedendo la diffusione delle dislocazioni, ovvero le imperfezioni che permettono ai metalli di deformarsi. In caso contrario, le dislocazioni mobili vengono liberate e i metalli flessibili diventano materiali rigidi e più duri.

Scenario: Un'officina di lavorazione che passa dall'acciaio dolce all'acciaio inossidabile 316L per la lavorazione degli alimenti deve cambiare il filo di saldatura (materiale d'apporto 316L), passare al gas di protezione argon con il 2% di monossido di carbonio e rallentare il taglio di circa il 30%. La scelta della lega minerale determina ogni successivo processo di produzione: utensili, dispositivi di fissaggio, impostazioni di saldatura e fasi di rettifica o lucidatura. La scelta del materiale non è mai un processo indipendente.

Oltre alla classificazione in metalli ferrosi e non ferrosi, è utile raggruppare i metalli in base (facilmente ossidabili, zinco, ferro, stagno, alluminio), nobili (resistenti all'ossidazione, oro, platino, palladio) o in base al gruppo della tavola periodica. L'ottenimento di questi gruppi – metalli di transizione (blocco d), metalli alcalino-terrosi, lantanidi – è disponibile come categorie separate.

Come scegliere il metallo giusto per il tuo progetto

Gli errori nella scelta del metallo sono la causa più comune di errori di fabbricazione e, in genere, irreparabili: una volta saldata, la giunzione non può essere dissaldata. La matrice sottostante confronta dieci metalli comuni in base a sei parametri, su una scala da 1 (scarso) a 5 (eccellente).

Selettori specifici per l'applicazione

• Quando si parla di lavorazione CNC, l'alluminio 6061 si distingue come il miglior materiale non ferroso, mentre l'acciaio dolce 1018 sembra essere la scelta migliore tra i materiali ferrosi. In termini di lavorabilità, questi materiali ottengono un punteggio di 4+ per facilità di lavorazione.
• Il taglio laser è ottimale per l'acciaio dolce: è il più facile da tagliare ed è il metallo più adatto al laser. Privo di ossidi e resistente alla bruciatura, altri metalli meno desiderabili includono l'acciaio inossidabile (che tuttavia richiede un laser più potente), l'alluminio (meglio con un laser a fibra a causa della riflessione) e il titanio (la "pietra da campo" laser è riservata a parti costose e di alto valore). Visita l'elenco di materiali che un laser a fibra può tagliare per più scelte.
• Per ambienti corrosivi si utilizza acciaio inossidabile 316L o titanio, con una resistenza alla corrosione di 5 per ciascuno, per la migliore protezione da corrosione e ossidazione. Il titanio è adatto solo se la riduzione di peso giustifica un costo del materiale da 25 a 100 volte superiore.
• Nel caso di applicazioni strutturali e architettoniche, residenziali o commerciali, l'acciaio al carbonio (1018 o A36) offre rispettivamente 3 e 5 livelli di resistenza e costo.
• Nell'elettronica e nell'informatica si utilizza il rame per la sua conduttività elettrica IACS al 100% e l'alluminio (con densità maggiore) per involucri leggeri e dissipatori di calore.

Che tipo di metallo si può utilizzare nel taglio laser?

Quasi tutti i metalli possono essere tagliati con un laser, a patto di disporre dell'attrezzatura adeguata, ma sarà necessario utilizzare macchine diverse. Per tagliare metalli molto riflettenti come alluminio, ottone o rame, si possono utilizzare laser a fibra con una lunghezza d'onda di 1070 nm. Questi non presentano problemi di riflessione posteriore degli ioni, poiché i laser a CO2 hanno una lunghezza d'onda di 10600 nm: la parte posteriore del laser è rivolta verso il risonatore e/o potrebbe danneggiarlo.

L'acciaio dolce è il metallo più adatto al taglio laser al mondo, produce un taglio di buona qualità a una velocità superiore a qualsiasi altro materiale e a un costo inferiore. Gli acciai inossidabili richiedono dal 20 al 30% di potenza laser in più rispetto a un acciaio dolce di spessore equivalente per essere tagliati, ed è necessaria la sigillatura con gas inerte al titanio (solitamente argon).

Per un confronto diretto tra le tecnologie laser a fibra e a CO2, guarda il Confronto tra laser a fibra e laser a CO2 sezione. Potrebbe anche interessarti scoprire quale I materiali possono essere marcati con un laser a fibra e come si abbinano con vari tipi di metallo, oppure visualizzando il nostro macchina per marcatura laser Gamma di attrezzature in grado di lavorare componenti in acciaio, alluminio, rame e titanio.

Nota sulla riciclabilità: quasi tutti gli elementi metallici possono essere riciclati all'infinito con minime alterazioni delle loro proprietà di base. Il riciclo dell'alluminio utilizza solo il 5% dell'energia necessaria per produrlo dal minerale di bauxite ed è uno dei processi più efficienti dal punto di vista energetico mai inventati. L'acciaio è il materiale più riciclato in termini di peso sul pianeta.

Domande frequenti

Quali sono i 10 tipi di metalli?

Quanti tipi di metallo esistono?

In che cosa si differenziano le leghe dai metalli puri?

Quale tipo di metallo non arrugginisce?

Quali tipi di metalli possono essere riciclati?

Che tipo di metallo si può utilizzare nella stampa 3D?

I metalli sono generalmente malleabili e duttili?