acciaio

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Il peso massimo delle leghe

Composto essenzialmente da ferro e carbonio, l'acciaio è una lega che si caratterizza per le sue notevoli proprietà meccaniche di resistenza agli sforzi e che, a seconda della proporzione delle sostanze con le quali è costituito, assume differenti consistenze e durezze. La scoperta dei metodi di produzione industriale dell'acciaio costituì una rivoluzione, e oggi l'acciaio è considerato una vera e propria materia pregiata, soggetto a cicli economici come il petrolio. Anche per questo sono allo studio nuove leghe che abbiano caratteristiche simili all'acciaio ma che utilizzino materiali differenti

I componenti dell'acciaio

Il componente principale dell'acciaio è il ferro, ma questo metallo allo stato puro ha poco interesse per l'industria, anche perché si trova perennemente ossidato, ossia combinato con l'ossigeno. Occorre espellere questa sostanza, tramite il riscaldamento a una temperatura superiore ai 1.500 °C , perché il ferro acquisti una qualche utilità e possa essere lavorato. Molto più importanti del ferro puro sono invece le leghe ferrose, formate da più metalli fra i quali il ferro è il principale. L'acciaio, assieme alla ghisa, rappresenta una delle leghe ferrose più importanti.

Oltre al ferro, nell'acciaio è presente il carbonio. Se questo elemento ha una percentuale superiore al 2% allora si ha una ghisa, se invece è inferiore a questo valore (con l'esclusione di alcune leghe particolari) si ha l'acciaio vero e proprio. Vi sono anche altri numerosi elementi che costituiscono gli acciai: fra questi possiamo citare l'alluminio, il bismuto, il boro, il piombo, il rame, il titanio. Una caratteristica fondamentale degli acciai è quella di poter essere lavorati a caldo, ossia solo nella fase liquida o pastosa.

Le tecniche di produzione

Per ottenere l'acciaio occorre raggiungere temperature estremamente elevate. I primi forni costruiti dall'uomo erano in grado di raggiungere temperature attorno ai 1.000°C, ed erano quindi utilizzabili per lavorare il bronzo, ma non il ferro. Un'ulteriore difficoltà nasce dal fatto che alle elevate temperature il tasso di ossidazione aumenta ed è quindi necessario che il riscaldamento avvenga in ambienti poveri di ossigeno. L'acciaio si produce ricavandolo da materiali ferrosi, anche rottami, e dalla ghisa, riducendo la quantità di carbonio presente in questa lega.

L'acciaio ha una struttura cristallina, ossia le sue molecole sono disposte in maniera regolare. Una volta che è riscaldato, l'acciaio deve essere raffreddato rapidamente in acqua od olio, ma durante tale operazione nella sua struttura si formano piccole fratture e imperfezioni, per cui risulta necessario provvedere a una nuova fase di riscaldamento ‒ anche se a una temperatura inferiore ‒ perché tali fratture possano saldarsi.

Le tecniche di produzione

A partire dal Settecento iniziò la produzione industriale dell'acciaio e vi furono continue migliorie tecnologiche nei forni utilizzati, che all'inizio erano di tipo a crogiuolo, rivestiti cioè internamente di argilla e grafite. Attorno al 1850 l'americano William Kelly migliorò il processo di produzione partendo dalla tecnica con la quale si estraeva ferro dolce dalla ghisa. Quest'ultima veniva riscaldata e il carbonio era eliminato con una corrente d'aria. Kelly si accorse che quando la ghisa era investita più direttamente da una corrente d'aria, la temperatura aumentava e si poteva ottenere l'acciaio. Un analogo sistema era stato scoperto quasi contemporaneamente dall'inglese Henry Bessemer, che però mirava a ottenere acciaio allo stato liquido e quindi puntava a raggiungere temperature maggiori. Nella ricerca di sistemi efficaci per la produzione dell'acciaio un ruolo importante lo ebbero gli Svedesi, anche grazie ad alcune loro miniere da cui si ricavavano dei minerali quasi privi di zolfo e fosforo, sostanza quest'ultima che rende l'acciaio particolarmente fragile.

Bessemer inventò anche il convertitore mobile, un forno montato su perni che, raggiunto lo stato di fusione della lega, ruotava svuotando il suo contenuto. Migliorie successive vennero realizzate con sistemi per recuperare il calore e per l'eliminazione del fosforo, ma ormai i principi base della fusione erano stati sostanzialmente scoperti. Un altro metodo di produzione molto diffuso è quello noto come Martin-Siemens, nel quale si ottiene acciaio fuso raffinando ghisa e rottami di acciaio.

A partire dal 1850, inoltre, si diffusero anche i forni elettrici, nei quali il calore è prodotto non più per mezzo di combustibile ma tramite un arco elettrico.

Treni e grattacieli

Alla fine del 19° secolo possiamo senz'altro dire che l'acciaio divenne uno dei punti cardine del mondo occidentale. Dal 1879 al 1900 la produzione mondiale aumentò più di cinquanta volte, crescendo da mezzo milione di tonnellate a 28 milioni. Grazie all'acciaio il Vecchio e il Nuovo Continente furono ricoperti da una fitta rete ferroviaria strutturata su rotaie in acciaio, che avevano una durata maggiore rispetto a quelle realizzate in ferro, materiale utilizzato fino ad allora. L'acciaio iniziò a essere impiegato per la costruzione delle caldaie di locomotive e navi e per la realizzazione di navi sempre più grandi e robuste: i transatlantici. Nel 1874, negli Stati Uniti, fu costruito sul Mississipi, a Saint-Louis, l'Eads Bridge, il primo ponte ad avere una struttura portante in acciaio e ferro.

L'acciaio fu quindi sempre maggiormente impiegato per la costruzione di strutture civili, come, per esempio, i grattacieli: l'Empire State Building, inaugurato nel 1931 e alto 381 m, fu realizzato utilizzandone 57.000 tonnellate!

Si studiano i sostituti

Come il petrolio, l'acciaio è soggetto a frequenti aumenti di prezzo, anche se ‒ a differenza di quello ‒ può essere riciclato. L'industria sta così studiando la possibilità di sostituirlo con altri materiali. In particolare, un'alternativa potrebbe essere fornita da particolari polimeri, ossia da materie plastiche che riescano a simulare le caratteristiche delle leghe metalliche. Già oggi sono in commercio pannelli di polimeri utilizzati per costruire elettrodomestici. Alcuni di questi sono ricoperti da un sottile strato metallico per fornire un'illusione quasi perfetta. Anche nell'edilizia si utilizzano alcuni polimeri per rafforzare il cemento. Così in Inghilterra, nell'Oxfordshire, è stato costruito un ponte in cemento armato la cui struttura è rafforzata da polimeri. Nell'ottobre del 2002 il ponte è stato inaugurato con il passaggio di un carro armato Sherman, un colosso che ha una massa di pressappoco 40 tonnellate.

Perché le pentole non arrugginiscono?

Gli acciai inossidabili sono particolari perché resistono alla corrosione e sono utilizzati in campi diversissimi, tra cui quello degli utensili da cucina, come coltelli e pentole. Questi acciai hanno generalmente una percentuale più bassa di carbonio e contengono cromo con una concentrazione dal 12 al 35% o nichel con valori fino al 35%. Gli acciai inossidabili prevengono la formazione della ruggine. Quando vi sono delle condizioni ossidanti, ossia quando l'ambiente esterno favorisce il processo di formazione della ruggine, queste leghe producono uno strato minimo di ossido, estremamente sottile, ma che rappresenta una sorta di patina protettiva, impedendo che il processo di ossidazione vada avanti.

Il gigante di Parigi

La torre Eiffel di Parigi rappresenta il monumento simbolo dell'età industriale. È realizzata in ferro puddellato, una lega ottenuta dalla ghisa e assimilabile all'acciaio. Fu costruita in soli due anni, due mesi e cinque giorni dall'impresa di Gustave Eiffel, e fu terminata il 31 marzo del 1889, in tempo per l'Esposizione universale che doveva celebrare il centenario della Rivoluzione francese. Ha una massa complessiva di 10.100 tonnellate ed è alta, comprese le antenne sulla sua cima, 324 metri.