Antichi bagliori metallici introduzione

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introduzione alla metallurgia

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Antichi bagliori metallici introduzione

  1. 1. IL SIGNOR W E LA PENTOLA OVVERO NON È SOLO ORO QUEL CHE LUCCICA Antichi bagliori metallici introduzione
  2. 2. La signora W ha una spiccata predilezione per l’oro. Lo apprezza in tutte le sue forme: dal lingotto all’orecchino e in tutti i colori che l’oreficeria le propone Il signor WW che preferirebbe una maggiore passione della moglie per metalli e leghe meno pregiate, per l’anniversario le regalò una costosissima pentola in acciaio inox di ottima qualità.
  3. 3. Per quanto non proprio abilissimo nel comprendere i gusti della moglie, intuì che il regalo non era stato apprezzato. Intuì anche che non avrebbe avuto maggior successo con una pentola in rame o alluminio e si chiese cosa avesse di più un pezzettino d’oro rispetto a quella bella quantità di metallo che aveva offerto in dono.
  4. 4. Decise perciò di approfondire l’argomento, perché i W sono fatti così. La disavventura della pentola oltre a illuminarlo sui gusti della moglie in fatto di regali, gli aveva fatto nascere il desiderio di sapere qualcosa di più sui metalli, puri o in lega che fossero. Per prima cosa diede un’occhiata alla storia. Raccolse in una scheda questi primi dati e iniziò a elaborare un dizionario di metallurgia e non
  5. 5. Storia dei Metalli: i dati <ul><li>86 elementi chimici a carattere metallico </li></ul><ul><li>24 noti prima del XIX sec. </li></ul><ul><li>7 metalli noti a.C.: oro, rame, argento, piombo, stagno, ferro, mercurio </li></ul><ul><li>5 metalli nativi , usati in Mesopotamia, Egitto, Grecia, Roma </li></ul><ul><ul><li>2 metalli funzionali : oro, argento </li></ul></ul><ul><ul><li>2 metalli strutturali : ferro e rame (bronzo) </li></ul></ul>
  6. 6. <ul><li>Nativo : che si trova puro in natura, sottoforma di blocchetti metallici detti “pepite” </li></ul><ul><li>funzionale : materiale che viene utilizzato in piccole quantità per svolgere funzioni specifiche (es.: materiale per spazzolini da denti, per lenti a contatto, per protesi, per ortodonzia,…). L’utilizzatore non chiederà mai uno sconto sul materiale funzionale. </li></ul><ul><li>Strutturale : materiale usata in grandi quantità per le costruzioni edili (laterizi), meccaniche (acciai, ghise, alluminio)… Se l’utilizzatore ottiene uno sconto sul materiale ha un buon vantaggio economico. </li></ul>Dizionario di metallurgia e non
  7. 7. Il signor W rimase poi affascinato dai simboli con cui gli antichi identificavano i metalli. Essendo però molto prosaico si congratulò mentalmente con gli scienziati che avevano messo un po’ d’ordine nella nomenclatura e con la IUPAC ( International Union of Pure and Applied Chemistry) che a tutt’oggi si dedica a questo encomiabile lavoro. Simboli egiziani dei metalli Simboli alchemici dei metalli Pb Sn Fe Au Cu Hg Ag
  8. 8. Diede poi uno sguardo d’insieme alla cronologia delle scoperte per avere un’idea del percorso da intraprendere. Decise quindi di limitare le sue riflessioni alle tre ETA’ che portano nomi di metalli rimandando ad un altro momento la storia più recente e le proprietà chimiche, fisiche e meccaniche dei metalli. Cronologia degli sviluppi dell’uso dei materiali avvenuti a.C.   9-7000 a.C.: I più antichi oggetti metallici fabbricati con rame nativo, Medio Oriente 5000-3000 a.C.: Fusione del rame; primi tentativi di estrazione dal minerale, Medio oriente 3500 a.C.: Statua in piombo, tempio di Osiride, Egitto 3000-1500 a.C.: Età del bronzo: rame arsenicale nativo e leghe rame- stagno, Medio Oriente 3000-2500 a.C.: Fusione a cera persa di piccoli oggetti, Medio Oriente 2500 a.C.: Granulazione di oro, argento e loro leghe, Medio Oriente 2400-2200 a.C.: Statua di rame del faraone Pepi I, Egitto 2000 a.C.: Età del bronzo, Estremo Oriente 1500 a.C.: Età del ferro, Medio Oriente 700-600 a.C.: Gli etruschi introducono la granulazione in Italia 600 a.C.: Prime tracce di ghisa, Cina
  9. 9. Nota bene: La cronologia non considera quanto avvenne nel continente americano. Si può raccontare quello che apparve agli occhi dei conquistatori spagnoli nei primi decenni del 1500 d.C. (vedi “L’oro del Perù”) : manufatti di rame , bronzo , forse qualche manufatto di ferro meteoritico , uso di argento e platino (probabilmente senza distinzione tra l’uno e l’altro) e, poi, soprattutto oro : “ L’oro degli Inca, splendente come il sole, brillava, splendeva, adornava, copriva mummie, ornava templi, ma non serviva mai come merce di scambio o come simbolo di ricchezza”(pag 46 “L’oro del Perù”)
  10. 10. Il signor W fece una prima considerazione sull’importanza dei materiali non ferrosi. Strano: se chiedessi oggi di dirmi il nome di un metallo, la maggior parte di quelli che conosco direbbe “ferro”. Ma non è stato certo lui il primo e il più importante! Solo dal 1550 a.C. si parla di età del ferro.
  11. 11. 8000 4000 Cu nativo 6000 Cu-As Cu fusione e estrazione; Pb 3000 Au 800 Cu-Sn; Sn; Ag 5000? Cu-Sn-Pb 720 Cu-Zn Cronologia delle leghe non ferrose ~ 1200 Naufragi Sn , Cu materiale bronzo 1500
  12. 12. Dopo queste considerazioni il signor W entrò nel merito dell’argomento. Si rese così conto, che l’uomo cominciò ad usare i metalli molto prima di riuscire a produrli. Infatti in natura si trovavano i “metalli nativi”, e in antichità erano molto più frequenti di quanto non lo siano ora. Si trovavano le “pepite”, cioè blocchetti nemmeno tanto piccoli, che l’uomo cercò di elaborare con le stesse tecniche che usava per le altre pietre Nota bene: Oro, rame, argento (anche platino, ma questa è un’altra storia) possono essere rinvenuti allo stato nativo, perché mostrano nessuna o scarsa tendenza a combinarsi con ossigeno o zolfo e formare minerali O2 S
  13. 13. : La scoperta fu che sotto i colpi le pepite non si rompevano ma cambiavano forma!! 8000 a.C. Rame nativo
  14. 14. Al signor W fece molto piacere sapere che anche se l’oro era un metallo che poteva essere trovato allo stato nativo, le piccole dimensioni delle sue pepite impedirono all’uomo primitivo (seppur attratto dal colore e dalla lucentezza) un effettivo uso pratico… … e approvò la nascita dell’età del rame …
  15. 15. … . e la conseguente nascita della tecnologia metallurgica, che si affiancò alla più antica tecnologia ceramica. Età Calcolitica o del rame: date di nascita <ul><li>6000 a.C. in Anatolia </li></ul><ul><li>4000 a.C. in Egitto primi manufatti in rame </li></ul><ul><li>3500 a.C. in Mesopotamia </li></ul><ul><li>3000 a.C. in Grecia, Siria, Palestina </li></ul><ul><li>2200 a.C. Italia ed Europa </li></ul>
  16. 16. Ma come nacque la metallurgia?
  17. 17. Il signor W si ricordò di un libro bellissimo che aveva regalato a WJ : “Zio Tungsteno” di Oliver Sacks. Dopo aver letto quel libro, WJ gli aveva fatto almeno 3000 domande ma lui era troppo occupato per rispondere e così lo aveva dirottato sulla signora W e sul nonno Perché erano lucenti?perché lisci? Perché freddi? Perché duri? Perché pesanti? Perché si piegavano senza spezzarsi? Perché risonavano? Perché due metalli teneri come lo zinco e il rame, potevano combinarsi per produrne un altro più duro? Che cosa conferiva all’oro la sua qualità aurea e perché non anneriva mai? Tratto da - Zio Tungsteno di Oliver Sacks Il signor W riprese il libro e a pag 24 lesse …
  18. 18. “ Zio Dave ricostruì per me la prima fusione di un metallo: era possibile che gli uomini delle caverne avessero usato rocce contenenti un minerale del rame - forse malachite verde - per delimitare un fuoco su cui cuocere il cibo, e all’improvviso si fossero accorti che, mentre il legno carbonizzava, la roccia verde stava sanguinando trasformandosi in un liquido rosso, il rame fuso. Oggi sappiamo, proseguiva zio Dave , che quando si riscaldano gli ossidi metallici con il carbone, il carbonio presente in quest’ultimo si combina con il loro ossigeno “riducendoli” e liberando metallo puro.” VI millennio. a.C. estrazione dal minerale in Anatolia Se non avessimo acquisito la capacità di ridurre i metalli presenti negli ossidi , proseguiva zio Dave, non avremmo conosciuto metallo alcuno a parte quei pochi che si rinvengono allo stato nativo. Non ci sarebbe mai stata un’età del bronzo, e meno che mai un’età del ferro: né sarebbero state possibili le affascinanti scoperte del diciottesimo secolo quando furono estratti diciotto nuovi metalli (compreso il tungsteno) dai loro minerali.” O. Sacks – Zio Tungsteno, pag….
  19. 19. Dizionario di metallurgia e non Riduzione : processo che permette di ottenere il metallo presente in un minerale ossidato eseguito tramite l’impiego di un riducente che di solito è il carbone. Vedi anche: reazioni di riduzione degli ossidi di ferro.
  20. 20. Visto che almeno 4000 anni dell’esistenza umana l’avevano visto come protagonista indiscusso, il signor W decise che il rame meritava una conoscenza più approfondita e preparò una scheda con alcune informazioni sul rame e le sue leghe involontarie ( e la archiviò in “Non c’è traccia di ferro”)
  21. 21. importanza dello stagno A questo punto il signor W si trovò a faccia a faccia con un altro metallo fondamentale: lo stagno Saldature, scatolette e poco altro: nulla ai giorni nostri poteva far pensare all’…..
  22. 22. Forse fu fondendo in ambiente riducente un minerale contenente rame e stagno che gli uomini si accorsero di aver prodotto una sostanza metallica simile al rame ma più dura e resistente <ul><li>Il bronzo (Cu-Sn) </li></ul><ul><li>usato in Medio Oriente a partire dal III millennio a.C., mentre in Cina e Thailandia il bronzo appare circa un millennio più tardi. </li></ul><ul><li>E’ una lega più bassofondente del rame, in genere con migliori proprietà meccaniche e più resistente a corrosione . </li></ul>
  23. 23. Dizionario di metallurgia e non Corrosione : risultato dell’ interazione chimica fra il metallo e l’ambiente.
  24. 24. Un testardo primo fonditore carpì il segreto e lo stagno divenne prezioso. <ul><li>Come veniva prodotto il bronzo? Ipotesi: </li></ul><ul><li>Sn si trovava in minerali misti Cu-Sn; </li></ul><ul><li>Minerali con Sn (es. cassiterite, SnO 2 ) aggiunti ai minerali cupriferi; </li></ul><ul><li>Cassiterite aggiunta al rame metallico. </li></ul><ul><li>Sn metallico aggiunto a Cu metallico. </li></ul>
  25. 25. I fenici, commercianti di stagno, diedero vita al mito delle Cassiteridi, isole misteriose di cui tennero segreta l’ubicazione (cassiterite era il nome del minerale dal quale si produceva stagno). Le Cassiteridi furono localizzate nell’attuale Cornovaglia , una delle aree produttrici di questo metallo Ma prima dei Fenici, lo Sn veniva da oriente. L’ipotesi attualmente più accreditata indica il Badakshan, provincia settentrionale dell’Afghanistan, come più antica fonte dei minerali a base di Sn.
  26. 26. Le vie dello stagno 2 1 II millennio a.C. III millennio a.C.
  27. 27. Età del Bronzo <ul><li>Il passaggio dall’età calcolitica al bronzo richiede </li></ul><ul><li>circa un millennio in Egitto </li></ul><ul><li>2/300 anni in Europa </li></ul><ul><li>(dipendenza dalla possibilità di avere lo stagno) </li></ul>Le date
  28. 28. A questo punto il signor W decise di fare una scheda dello stagno Sebbene a malincuore preparò una scheda anche dell’ oro , ma la mise insieme a quelle di argento, e piombo per concludere così la conoscenza dei metalli non ferrosi usati in antichità. Riunì le schede sotto il nome di “ Non c’è traccia di ferro” e le mise in un’altra cartella. Prese poi ad occuparsi del ferro e della sua comparsa nella storia umana
  29. 29. Prima di riuscirlo a ricavare dai suoi minerali, l’uomo usava il ferro presente in certe meteoriti, come dimostra il nome greco del ferro σιδηροσ (“sideros”, cioè “astro”, da cui la “siderurgia” è la metallurgia del ferro) e il geroglifico egiziano per indicare il ferro che significa “ metallo dal cielo”
  30. 30.  o Il metallo di fuoco che viene dal cielo
  31. 31. Meteoriti ferrose : esaedrite (Ni meno di 6%) octaedrite il tipo più comune (Ni 6-16%) ataxite (Ni più di 16%). 3 tipi di meteoriti ferrose: leghe complesse Fe/Ni formate da sistemi materiali spaziali che hanno subito un riscaldamento tale da fondere il ferro che, per la sua densità elevata, tende a localizzarsi al centro del sistema genitore (lo stesso fenomeno ha portato alla formazione del nucleo terrestre composto di ferro-nichel). Per qualche evento catastrofico, molto probabilmente collisioni fra i diversi corpi spaziali, si sono generati frammenti solidi: asteroidi o, se piccoli, le meteoriti .
  32. 32. Dopo pulitura metallografica ed attacco chimico le octaedriti mostrano la microstruttura di Widmanstätten Di essa rimane traccia nei manufatti, e permette di distinguere il ferro meteoritico e quello estratto da minerale
  33. 33. “ L’uomo eneolitico, ormai esperto nelle arti del fuoco quanto basta per ottenere il rame e il bronzo, continua a sperimentare il calore su altri minerali, pietre pesanti e di vario colore. Capita nel suo forno un minerale di ferro, molto probabilmente magnetite, ed egli constata che a differenza di rame o stagno, la pietra non si trasforma in metallo fuso, ma una volta estratta dal forno e lasciata raffreddare dimostra di essersi molto trasformata. L’uomo la ricaccia nel forno e soffia aria perché vuole fonderla. Non ci riesce e la batte quando è ancora rovente scoprendo un materiale metallico più duro del bronzo e più micidiale come arma”. da: Vita dei metalli, F. De Carli
  34. 34. I° diffusione della metallurgia del ferro: la Grecia Primi oggetti: 1200 a.C. Uso regolare: 800 a.C. Esportazione di oggetti e tecnologia attraverso il Caucaso in Europa Centrale, verso l’Italia dalla Grecia, verso la Spagna dalla Fenicia. Origine della Metallurgia del ferro: Medio Oriente Primi oggetti: 3000 a.C. Uso regolare dal 1200 a.C. Esportazione di oggetti verso Caucaso, Grecia, Egitto… II° diffusione della metallurgia del ferro Primi oggetti: 800 a.C. Uso regolare: 500 a.C. Esportazione di oggetti e tecniche in Europa Centrale dai Celti, in Italia dagli Etruschi
  35. 35. Cosa serve per produrre ferro? a) Le materie prime: MAGNETITE EMATITE LEGNA O CARBONE DI LEGNA
  36. 36. Per fare il carbone serve la “carbonaia” La carbonaia è un cumulo di legna ricoperto di terra: innescando la combustione, la legna brucia fuori dal contatto con l’aria, cioè in assenza di ossigeno, e invece che cenere si ottiene “carbone di legna”
  37. 37. b) Un forno, ad esempio il “forno a L” Nel forno si mette minerale e carbone mescolati tra loro. Il forno a L è a ventilazione naturale: veniva scavato nel fianco di una collinetta in modo da sfruttare il vento che viene da valle per attivare la combustione vento
  38. 38. c) Il mantice, per raggiungere temperature elevate. Il basso fuoco usa il mantice ed è un forno a ventilazione forzata Il mantice era una sacca fabbricata con pelli di animale (quasi sempre di pecora) che veniva riempita d’aria la quale era soffiata manualmente nel forno (si fa così anche adesso nei camini). Una evoluzione fu l’uso contemporaneo di due mantici, manovrati con i piedi.
  39. 39. Carbone di legna miniera Basso fuoco Vagliatura e deposito Basso fuoco con mantici Ricostruzione di un sito metallurgico
  40. 40. Cosa produceva la siderurgia antica? <ul><li>Nei bassi fuochi, nemmeno con i mantici si raggiungeva la “temperatura di fusione” del ferro (circa 1530 °C). Il prodotto ottenuto era il risultato di una serie di complesse “ reazioni chimiche di riduzione ” fra ossidi di ferro e carbonio (o meglio ossido di carbonio, CO) che avvenivano tutte in “fase solida”. Si produceva così una “spugna di ferro” contenente molte “scorie” (carbone, minerale parzialmente ridotto , ganga ). Ancora caldo, questo prodotto era “martellato” , così che le scorie venivano espulse e la spugna diventava un prodotto compatto, con una forma voluta (utensili, armi, o altro) e quindi utilizzabile. </li></ul>“ spugna di ferro”
  41. 41. Dizionario di metallurgia e non Reazioni di riduzione degli ossidi del ferro Ossidi di ferro in funzione del tenore di ossigeno: Fe 2 O 3 > > Fe 3 O 4 FeO La riduzione degli ossidi avviene per stadi, da quello più ossidato ad uno meno fino al ferro metallico. Possibili schemi di reazione sono i seguenti:
  42. 42. <ul><li>Riduzione indiretta </li></ul><ul><li>3Fe 2 O 3 + CO ↔ 2Fe 3 O 4 + CO2 </li></ul><ul><li>Fe 3 O 4 + CO ↔ 3FeO + CO2 </li></ul><ul><li>FeO + CO ↔ Fe + CO2 </li></ul><ul><li>Riduzione diretta </li></ul><ul><li>3Fe 2 O 3 + C ↔ 2Fe 3 O 4 + CO </li></ul><ul><li>Fe 3 O 4 + C ↔ 3FeO + CO </li></ul><ul><li>FeO + C ↔ Fe + CO </li></ul>Se il riducente è il carbonio: Se il riducente è il monossido di carbonio: Il simbolo ↔ indica che la reazione può andare da sinistra a destra o da destra a sinistra a seconda della temperatura e/o della pressione a cui avviene Cosa c’entra il monossido di carbonio?
  43. 43. Il riducente attualmente usato in siderurgia è il COKE , cioè un prodotto che si ottiene dal carbone fossile (estratto dalle miniere) tramite una operazione chiamata “distillazione secca ”, che è un riscaldamento in assenza di aria per eliminare dal carbone le impurezze che inquinerebbero il prodotto della riduzione. Il coke può essere considerato carbonio quasi puro, e se è riscaldato in presenza di aria, cioè ossigeno come avviene in siderurgia, ovviamente brucia secondo le seguenti reazioni: Combustione del carbonio: C + O 2 -> CO 2 2C + O 2 -> 2CO Ma in presenza di un eccesso di carbonio può avvenire la seguente reazione che in siderurgia è fondamentale, anche per ragioni economiche: Reazione di Boudouard: C + CO 2 ↔ 2CO Così, in siderurgia il vero riducente risulta essere il monossido di carbonio CO!!
  44. 44. Il processo siderurgico rimase quasi inalterato fino al 1300 d.C., ma durante questo periodo si scoprono i “trattamenti termici e termochimici”: Carbocementazione tempra rinvenimento Con questi trattamenti furono costruite armi potentissime (per quei tempi). Fu perché disponevano di armi più potenti dei barbari che i romani di Cesare (alcune centurie) riuscirono a conquistare ampi territori (la Gallia e la Britannia). La storia continua anche in tempi più recenti: lame damascate , katane, spade di Toledo .
  45. 45. Dizionario di metallurgia e non Carbocementazione (arricchimento superficiale di carbonio, per contatto con il carbone durante il riscaldamento necessario per continuare a deformare il metallo. Più tardi si scoprì che era possibile ottenere risultati migliori usando ossa o carcasse di animali al posto del carbone: effetto dell’azoto) tempra (raffreddamento veloce, più efficace se eseguito dopo carbocementazione, ottenendo un metallo duro e resistente, ma fragile) rinvenimento (riscaldamento dopo la tempra contro l’infragilimento)
  46. 46. Lame di spada di epoca medioevale Acciaio di Damasco Acciaio ad alto tenore di carbonio prodotto in India (acciaio Wootz), con caratteristiche superplastiche Trattamento termomeccanico per generare le figure   Lame damascate: arte del trattamento termico
  47. 47. Macrostruttura dell’acciaio damascato
  48. 48. Damascatura moderna                                
  49. 49. NOTA TECNICA: Il lavoro del metallurgista antico coincideva poco con quello dell’attuale fabbro. Egli era considerato un vero mago, e proteggeva il suo lavoro custodendone gelosamente i segreti. Il più importante di questi era “come fare la tempra”, cioè come riuscire a raffreddare velocemente un oggetto di ferro contenente, almeno in superficie, una buona dose di carbonio. Il primo mezzo di raffreddamento adottato fu l’acqua. Poi un fabbro scoprì che si potevano ottenere risultati molto migliori (spade più dure, che mantenevano il taglio più a lungo e potevano rompere o piegare quelle di un eventuale nemico) usando altri liquidi, in particolare organici come orina o sangue. Sono note molte decine di formulazioni di liquidi da tempra antichi: alcune, ritenute in grado di fornire risultati eccezionali, usavano sangue umano … e si ottengono così spade magiche. Ora si sa che il fabbro faceva inconsciamente un trattamento termochimico di “carbonitrurazione” sfruttando l’effetto indurente dell’azoto dei liquidi organici. excalibur
  50. 50. Vista l’importanza attuale del ferro e dell’acciaio, Il signor W decise di tracciare la storia essenziale del ferro, con le tappe principali dal medioevo fino ai nostri giorni ( il titolo potrebbe essere “Verso una nuova siderurgia”… )
  51. 51. A questo punto il signor W fece alcune riflessioni era il risultato della conoscenza delle potenzialità del fuoco e della capacità di gestire la reazione di combustione Lo sviluppo delle tecnologie estrattive dai minerali Era anche aver capito che il carbonio era in grado di estrarre ossigeno dai metalli e quindi di purificarli cioè di ridurli Era anche aver capito le potenzialità di miscugli omogenei quali le leghe, studiando e applicando le percentuali ottimali di alliganti.
  52. 52. E al signor W veniva in mente una sola parola per definire tutto questo chimica
  53. 53. E così il signor W si chiese perché la chimica, madre delle nostre civiltà, sia oggi misconosciuta e trattata con sospetto Forse siamo stanchi di queste civiltà, forse vorremmo tornare indietro nel tempo senza portare nulla con noi, neppure il segreto magico dei metalli. Forse ci stiamo riuscendo.
  54. 55. FINE Per ora

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