Quali sono le differenze tra ferro e acciaio?

Ferro vs. acciaio. Ghisa vs. acciaio al carbonio. La realtà è semplice: l’acciaio non è uguale al ferro. Ma in cosa differiscono? Abbiamo preparato questa guida per illustrarvi le loro proprietà, il processo di produzione e i componenti in cui vengono comunemente impiegati. Tratteremo i seguenti argomenti: 

• Che cos'è il ferro?
• Quali sono le proprietà del ferro?
• Come viene prodotto il ferro?
• Cos'è l'acciaio?
• Quali sono le proprietà dell'acciaio?
• Come viene prodotto l'acciaio?
• Qual è il materiale più resistente? Ferro vs acciaio
• Come distinguere il ferro dall’acciaio

Cos'è il ferro?

Il ferro è il quarto elemento più abbondante in massa nella crosta terrestre. Gli unici elementi che lo precedono sono ossigeno, silicio e alluminio. Naturalmente, la tavola periodica classifica il ferro come un metallo. Come potete vedere di seguito, il suo numero atomico è 26, il che indica il numero di protoni presenti nel nucleo dei suoi atomi. Questo dato consente di determinare a quale elemento appartiene l’atomo.

Il ferro è un metallo ferromagnetico, il che significa che è attratto dai campi magnetici. Il ferro viene utilizzato per creare elettromagneti, motivo per cui viene utilizzato nei motori, nei generatori e nei trasformatori. È inoltre ideale per i dispositivi di archiviazione magnetica, la separazione magnetica e le macchine per la risonanza magnetica (MRI).

Quali sono le proprietà del ferro?

Robusto e resistente, il ferro puro è un metallo denso, lucente, di colore bianco-argento.   Tuttavia, quando il peso contenuto è un fattore critico per l’applicazione, è opportuno considerare metalli alternativi. 

Dal punto di vista chimico, il ferro puro è incredibilmente reattivo, formando composti con elementi come l'ossigeno e lo zolfo. Questo è anche il motivo per cui il ferro puro arrugginisce facilmente in ambienti umidi, il che può indebolire le proprietà magnetiche del materiale e ridurne l'efficacia per le applicazioni magnetiche. Campi magnetici esterni intensi o temperature elevate possono causare la perdita delle sue proprietà magnetiche, in un processo noto come smagnetizzazione. 

Con un punto di fusione intorno a 1,537 °C  il ferro è malleabile e duttile, quindi può essere modellato in diverse forme. 

A temperatura ambiente, il ferro puro si presenta allo stato solido.  Ad alte temperature può fondere e diventare liquido, mentre a temperature ancora più elevate può passare allo stato gassoso. Naturalmente, la fase di qualsiasi materiale dipende dalla sua temperatura e dalla sua pressione. 
   
Il ferro è anche un buon conduttore di calore,  è in grado di trasferire il calore in modo efficiente, motivo per cui viene spesso utilizzato in scambiatori di calore e caldaie. In quanto metallo, è anche in grado di condurre l’elettricità, ma presenta una resistività elevata, rendendolo non ideale per questa funzione.

Come viene prodotto il ferro?

La produzione industriale del ferro avviene attraverso un processo di fusione, che si svolge in un altoforno. Questo processo consiste nell’estrazione del ferro dal suo minerale mediante una reazione di ossido-riduzione.  Un esempio di minerale di ferro è l'ematite, che contiene ossido di ferro (III), Fe2O3. L'ossigeno deve essere rimosso dall'ossido di ferro. 

Durante la decomposizione del minerale, gli elementi indesiderati vengono eliminati sotto forma di gas e scorie, lasciando il ferro desiderato. (Le scorie sono costituite da silicato di calcio, un materiale abrasivo). Perché la reazione avvenga, sono necessari altri materiali: il coke, che contiene carbonio; il calcare; e aria, che consente al coke di bruciare, generando il calore necessario. Il risultato è il ferro grezzo, con un contenuto di carbonio di circa il 3%. 

Ghisa vs ferro battuto

La ghisa è una lega ferrosa contenente dal 2% al 4% di carbonio.  Viene prodotta attraverso il processo di fusione. La ghisa liquida (pig iron) viene miscelata con carbonio e altri elementi di lega, come il silicio. La soluzione ottenuta dalla miscela di ferro viene poi trasferita in stampi con la forma desiderata. Una volta raffreddato, il materiale prende il nome di ghisa. 

Il ferro battuto, invece, è un materiale completamente diverso: è costituito quasi interamente da ferro, con una percentuale di scorie compresa tra l’1% e il 2%. Si produce attraverso ripetute fasi di riscaldamento e martellatura. Il materiale viene più volte riscaldato e lavorato per ottenere il prodotto finale. 

La ghisa è più semplice e veloce da produrre rispetto al ferro battuto.  Tuttavia, il ferro battuto è più resistente: ad ogni ciclo di riscaldamento e lavorazione, la sua resistenza meccanica aumenta Nonostante ciò, è la ghisa ad essere più dura: infatti, resiste meglio alla deformazione sotto pressione o sollecitazione rispetto al ferro battuto. 

Che cos'è l'acciaio?

Tecnicamente, tutti gli acciai sono leghe metalliche. Le leghe sono metalli ottenuti combinando due o più elementi metallici. Alcune leghe si trovano in natura, come l’electrum, una lega naturale di oro e argento mentre la prima lega artificiale fu il bronzo, ottenuto unendo stagno e rame.

Il componente principale dell'acciaio è il ferro, con un contenuto di carbonio che varia, ma che in genere include meno del 2%, con l'1% di manganese e piccole quantità di silicio, fosforo, zolfo e ossigeno. È l'aggiunta di carbonio con elementi misti multipli che aumenta la resistenza, la forza e persino la variabilità dell'acciaio legato. 

L'acciaio al carbonio contiene generalmente dal 0,1% al 2% di carbonio in peso. La quantità specifica di carbonio presente nell’lega determina le caratteristiche e gli impieghi specifici dell’acciaio. Tale quantità può essere controllata modificando la composizione delle materie prime e il processo produttivo.

Acciaio a basso tenore di carbonio

Contiene tra lo 0,05% e lo 0,3% di carbonio ed è tipicamente utilizzato per applicazioni che richiedono una buona formabilità e saldabilità. I pannelli della carrozzeria automobilistica e i componenti per macchinari sono spesso realizzati in acciaio a basso tenore di carbonio. L'acciaio dolce è un tipo di acciaio a basso tenore di carbonio, che offre un buon equilibrio tra resistenza e duttilità.  

Acciaio ad alto tenore di carbonio

Contiene tra lo 0,6% e il 2% di carbonio ed è utilizzato per applicazioni che richiedono un'elevata resistenza e durezza, come molle, utensili e fili ad alta resistenza. 

Acciaio inossidabile

Per alcuni acciai, come l’acciaio inossidabile, il carbonio non è l’elemento principale di lega. L’acciaio inossidabile contiene almeno il 10,5% di cromo, che conferisce a questo materiale la sua caratteristica resistenza alla corrosione.

Quali sono le proprietà dell'acciaio?

Le proprietà variano a seconda del tipo di acciaio, ma in generale si può prevedere una buona durezza e resistenza all’usura. Per questo motivo, l’acciaio è molto apprezzato in applicazioni che richiedono elevata resistenza all’usura, come parti meccaniche e utensili. 

L'acciaio ha un'eccellente resistenza e può assorbire una buona quantità di energia prima di rompersi. Il suo contenuto di ferro lo rende estremamente magnetico e un buon conduttore di calore ed elettricità. Per questo motivo, viene utilizzato nei cavi elettrici e negli scambiatori di calore. 

Come tutti i metalli, l'acciaio è riciclabile al 100%. Può essere fuso e riutilizzato, mantenendo tutte le sue proprietà ad ogni ciclo.

Come si produce l’acciaio?

L’acciaio si ottiene raffinando la ghisa liquida, che viene fusa fino a diventare un liquido omogeneo. L'acciaio liquido viene poi versato in stampi e raffreddato per formare acciaio solido.  Durante il processo si aggiungono ulteriori elementi per ottenere diverse qualità di acciaio con proprietà specifiche. La produzione può avvenire tramite due principali metodi: il forno a ossigeno basico (BOF) o il forno elettrico ad arco (EAF).

• Processo BOF: la ghisa, i rottami metallici e altre leghe vengono fusi in un recipiente rivestito di materiale refrattario.  Le impurità bruciano quando l'ossigeno viene soffiato nel metallo liquido. Il risultato lascia dietro di sé un acciaio più puro. 
• Processo EAF: una corrente elettrica viene fatta passare attraverso gli elettrodi, che riscaldano i rottami e la lega prescelta fino al punto di fusione. La resistenza dei rottami alla corrente elettrica genera abbastanza calore per fondere il metallo. L'acciaio liquido viene poi versato in stampi per produrre lingotti. Il processo EAF è considerato più flessibile, poiché consente la produzione di acciaio a partire da una gamma più ampia di materiali e in quantità minori.

Quale è più resistente? Ferro vs. acciaio

Abbiamo già dato qualche indizio, quindi la vera domanda è: cosa rende l’acciaio più resistente?  
La resistenza dell'acciaio rispetto al ferro è una questione di materiali. Entrambi sono resistenti, ma il ferro è fragile. La differenza principale tra i due risiede nel fatto che l’acciaio viene rafforzato dall’aggiunta di carbonio, oltre a vari altri metalli e composti. 

L'acciaio ha un punto di fusione a 1,371 °C più basso rispetto al 1,537 °C del ferro, ma è anche in grado di resistere ad ampi intervalli di temperatura. Questo lo rende più adatto per applicazioni strutturali. Per quanto riguarda la resistenza, nel confronto tra acciaio al carbonio e ghisa, è l’acciaio a risultare superiore.

Acciaio fuso vs ghisa

La fusione dei metalli consente di ottenere un elevato livello di dettaglio, eliminando spesso la necessità di ulteriori lavorazioni o assemblaggi. Il processo di fusione della ghisa risulta meno costoso rispetto a quello dell’acciaio.  È più semplice, richiede meno tempo ed è caratterizzato da costi inferiori di materiali ed energia. 

La ghisa si versa piuttosto facilmente e non si restringe tanto quanto l'acciaio. Ha un'eccellente fluidità, il che indica ancora una volta che la ghisa è più facile da lavorare durante la fusione.

Come distinguere il ferro dall’acciaio

Ferro o acciaio? Se state cercando di differenziare i due materiali per identificare la composizione di un componente, esistono diversi metodi per riconoscere la differenza. 

Il metodo più sicuro è l’analisi della composizione chimica del componente. Altri metodi includono la percezione tattile: la maggior parte dell’acciaio che incontriamo è acciaio dolce, caratterizzato da una superficie liscia e una certa flessibilità. Il ferro, d'altra parte, tende ad essere fuso con una superficie ruvida. Se la percezione tattile non è sufficiente e non vi dispiace rischiare di lasciare un’impronta sul componente, l’ultima risorsa è utilizzare un martello a testa tonda (ball-peen hammer). Colpite il componente: se non si deforma, si tratta di ferro; Se rimane un’incisione, avete di fronte acciaio dolce.

Acciaio vs ghisa

Ecco un riepilogo del loro confronto:

Esempi di utilizzo del ferro e dell’acciaio nei componenti 

Come vengono impiegati questi due materiali nella produzione di componenti industriali?  Di seguito trovate alcuni esempi.

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