FACOLTA’ DI INGEGNERIA UNIVERSITA’ DEGLI STUDI DI BERGAMO 1 Materiali Prof. Davide Russo Dipartimento di Ingegneria Knowledge Aided Engineering Manufacturing and Related Technologies DISEGNO TECNICO INDUSTRIALE
FACOLTA’ DI INGEGNERIA
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Materiali
Prof. Davide Russo
Dipartimento di Ingegneria
Knowledge
Aided
Engineering
Manufacturing and
Related Technologies
DISEGNO TECNICO INDUSTRIALE
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Nella lezione precedente
Introduzione sui collegamenti smontabili non filettati
Chiavette
Linguette
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... in questa lezione
Concetti generali
Materiali
– Acciaio, Ghisa, Alluminio, Rame, etc.
Designazione dei materiali
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Dal materiale dipendono:
– le caratteristiche di resistenza e di durata del pezzo
– il procedimento tecnologico di produzione
– l’aspetto con cui si presenta all’utilizzatore
– la possibilità di riciclo o l’eliminazione al termine del ciclo di vita
– il costo
Lo studio dei materiali, dei criteri di scelta, dei trattamenti termici e delle lavorazioni non è un obiettivo di un corso di Disegno tecnico industriale
Cenni sui materiali e sulla indicazione nei disegni
Concetti generali (1/5)
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Materiali più comunemente utilizzati nelle costruzioni
meccaniche:
– metalli ferrosi (acciai, ghise, super leghe a base Fe)
– metalli non ferrosi (Al, Cu, Ni, … e loro leghe)
– polimeri (materie plastiche, termoplastiche e termoindurenti)
– elastomeri (gomme naturali e sintetiche)
– compositi
– ceramici, vetri, carbonio, …
La scelta dei materiali dipende da numerose esigenze
– disponibilità, peso, possibilità di lavorazione, caratteristiche
elettriche, magnetiche, termiche, resistenza a corrosione, ...
Concetti generali (2/5)
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La scelta dei materiali dipende …
– resistenza meccanica capacità di un materiale di non
rompersi sotto l’azione di determinate forze che lo
sottopongono a sollecitazioni:
* di trazione, di compressione, di taglio, di flessione e di torsione
* stabili nel tempo (statiche), variabili istantaneamente (urti) o
ripetutamente nel tempo (sollecitazioni dinamiche, di fatica), a
freddo o a caldo
– resistenza meccanica resistenza a trazione
Concetti generali (3/5)
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Concetti generali (4/5)
Resistenza a trazione
Provino
F forza agente in
senso assialeDiagrammi sforzi
deformazioni
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Parametri meccanici significativi– sforzo (carico unitario) di rottura R
(sr)
– sforzo (carico unitario) di snervamento S (ss)
– modulo di elasticità o di Young
– allungamento percentuale a rottura A
– resilienza (o resistenza all’urto) K lavoro necessario per spezzare un provino indice della fragilità del materiale
– durezza superficiale valutata mediante l’impronta lasciata da un penetratore di forma diversa (durezza Brinell HB, Rockwell HRC, Vickers HV)
Concetti generali (5/5)
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Leghe metalliche costituite essenzialmente da ferro con
carbonio fino al 2% ed eventuali aggiunte di altri elementi in
percentuali variabili a seconda delle caratteristiche che si
vogliono ottenere
Gli acciai sono i principali materiali da costruzione grazie
alle caratteristiche di
– resistenza
– lavorabilità
Hanno caratteristiche variabili in funzione:
– della composizione
– dei trattamenti termici
Acciai
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I trattamenti termici modificano la struttura del materiale
Acciai – Trattamenti Termici (1/5)
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I principali trattamenti termici sono:
– ricottura (e normalizzazione)
si effettua dopo fusione o fucinatura, prima di lavorazioni
meccaniche, per rendere il materiale omogeneo e lavorabile;
consiste in un riscaldamento a temperatura elevata con
successivo raffreddamento lento, in forno o in aria
– tempra
riscaldamento a temperature fra gli 800° e i 900° C seguito
da raffreddamento rapido in acqua o olio; rende l’acciaio
molto duro e resistente ma piuttosto fragile
Acciai – Trattamenti Termici (2/5)
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– rinvenimento
riscaldamento intorno ai 500°-600 °C, dopo il trattamento di tempra, per eliminare parzialmente gli effetti di questa; migliora resistenza e tenacità, riducendo durezza e fragilità
– bonifica
trattamento di tempra seguito da rinvenimento
– distensione
riscaldamento a temperatura non superiore a 200 °C, per eliminare tensioni interne dovute ai trattamenti precedenti
– termochimici di arricchimento superficiale
trattamenti a determinate temperature in ambienti in grado di cedere elementi allo strato superficiale dei pezzi, in modo da modificarne le caratteristiche, con i sottostanti invariati
Acciai – Trattamenti Termici (3/5)
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trattamenti termochimici di arricchimento superficiale (non
confondere con deposizione superficiale di materiali, es.
cromatura)
– cementazione
arricchimento superficiale di carbonio, seguito da tempra
provoca un indurimento della superficie (e quindi una maggiore
resistenza all’usura)
– carbonitrurazione
arricchimento superficiale di carbonio e azoto
– nitrurazione
arricchimento superficiale di azoto
– sulfinizzazione
diffusione di zolfo e formazione superficiale di solfuri di ferro
Acciai – Trattamenti Termici (4/5)
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Ulteriori trattamenti superficiali di indurimento
– tempra superficiale
riscaldamento degli strati superficiali mediante fiamma od
induzione
– deformazioni a freddo (rullatura, pallinatura)
migliorano la resistenza a fatica
Acciai – Trattamenti Termici 5/5)
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Per tipologie che richiedono un trattamento termico è
prevista l’indicazione degli elementi di lega
Quando non sono previsti trattamenti termici è
presente l’indicazione di altri dati quali la resistenza a
trazione, od altre caratteristiche meccaniche
Classificazione secondo UNI EU 27
– acciai designati in base alle caratteristiche meccaniche o
di impiego
– acciai designati in base alla composizione chimica
Acciai – Designazione (1/9)
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Acciai designati in base alle caratteristiche meccaniche
Fe valore del carico di
rottura a trazione
minimo garantito in
N/mm2
E + carico di
snervamento (limite
delle deform. elastiche)
G per getti + carico di
rottura
( A B C D) crescente
insensibilità alla
frattura fragile
(crescente idoneità
alla saldatura)
(numero)
per spec. qualità
(simbolo el. chimico)
aggiunto per dare
particolari
caratteristiche
Es. Fe 410 - Fe E 355 - Fe G 360 - Fe 440 Pb - Fe 440 D - Fe G 360-1
Acciai – Designazione (2/9)
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Acciai designati in base alle caratteristiche di impiego
Fe lettera numero
(impiego)
Es. Fe B 2
B = acciao per cemento armato
Acciai – Designazione (3/9)
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Acciai designati in base alla composizione chimica
– acciai non legati
* per cui è previsto un trattamento termico
* per impieghi particolari
– acciai legati
* debolmente legati (nessun elemento di lega > 5%)
* fortemente legati (almeno un elemento di lega > 5%)
Acciai – Designazione (4/9)
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Acciai non legati - trattamento termico
C % carbonio x 100 (simbolo el. chimico per carat. part.)
Es. C 40 C 30 Cr
C % carbonio
x 100
(simbolo el. chimico
per caratt. part.)
lettera indicante
impiego
D per vergella
B per bulloneria
G per getti Es. C G 20
Acciai – Designazione (5/9)
Acciai non legati per usi particolari
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Acciai legati
debolmente legati (nessun elemento > 5%)
% carbonio
x 100
simbolo principali
el. di lega
(G )
per getti
tenori percentuali
x 4 x 10 x 100
x 1000
Co, Cr, Mn, Ni,
Si, W
x 4
Al, Be, Cu, Mo,
Nb, Pb, Ta, Ti, V,
Zr
x 10
N, P, S
x 100
B
x 1000
Es. 18 Ni Cr 16
Acciai – Designazione (6/9)
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Acciai legati
fortemente legati (almeno un elemento > 5%)
X % carbonio x 100
– gli elementi sono indicati in ordine decrescente di presenza
– i tenori percentuali sono riportati tali quali
– la lettera G precede eventualmente la X
Es. X 200 Cr 13 - G X 15 Cr 13
Acciai – Designazione (7/9)
simbolo principali
el. di lega
tenori percentuali
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Acciai – Designazione (8/9)
Per tutti gli acciai:
la sigla può essere seguita da due lettere che indicano:
– un particolare requisito
– una ulteriore specificazione del requisito
R finitura superficie M opaca
R rugosa
L liscia
N lucida
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Acciai – Designazione (9/9)
Per tutti gli acciai– la sigla deve necessariamente chiudersi con il riferimento alla
norma
Es. X 200 Cr 13 KU UNI 2955
la sigla KU indica che l’acciaio in questione è adatto alla costruzione di utensili
La designazione degli acciai è in continua rielaborazione per l’armonizzazione delle normative internazionali
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Acciai non legati (acciai comuni)
– acciai dolci
C tra 0.1% e 0.2%, R tra 350 e 500 N/mm2, per pezzi poco o
mediamente sollecitati, possibilità di cementazione
– acciai semiduri
C fino a 0.5%, R fino a 800 N/mm2, pezzi mediamente sollecitati,
trattamento di bonifica
– acciai duri
C fino a 0.6%, R fino a 900 N/mm2, pezzi fortemente sollecitati ma
senza urti e flessioni, trattamento di bonifica
– acciai extraduri
C oltre 0.7% e 0.2%, R fino a 1200 N/mm2, per utensili e simili,
durissimi ma fragili
Acciai – Classificazione (1/4)
Classificazione in base alla pratica quotidiana
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Acciai legati (o speciali)
– da costruzione
da bonifica, da cementazione, da nitrurazione, per tempra superficiale, per molle, per cuscinetti
Es. C 25 UNI EN 10083 - C 45 UNI 8787/7874 - 41 Cr 4 - 36 Cr Mn 5 50 Cr V 4 - 42 Cr Mo 4 - 39 Ni Cr Mo 3 acciai da bonifica
C 10 UNI 7846/8550 - C 15 - 12 Ni Cr 3 - 16 Cr Ni 4 acciai da cementazione
– per utensili
caratteristica fondamentale è la durezza anche alle alte temperature conferita da elementi quali Cr, W, Mo; Mn migliora la temprabilità; V e Co la stabilità strutturale
Es. C 100 KU UNI 2955 - X 205 Cr 12 KU - 55 Ni Cr Mo V 7 KU X 30 W Cr V 5 3 KU
Acciai – Classificazione (2/4)
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Acciai legati (speciali)
– inossidabili
non subiscono ossidazioni per la presenza in percentuali elevate di
Cr e Ni; C < 0.2%; Mn, Si, Mo, Ti contribuiscono a resistenza a caldo,
durezza, …
* martensitici temprabili, Cr fino a 13%
* ferritici non temprabili, Cr dal 14% al 30%, stampabili, magnetici
* austenitici Ni dal 6% al 22%, Cr dal 16% al 28%, resistenti agli urti e
alla corrosione, amagnetici
Es.: X 30 Cr 13 UNI 6900 martensitico
X 8 Cr 17 UNI 6900 ferr. - X 10 Cr Ni 1809 UNI 6900 aust.
– per applicazioni particolari
resistenti alle °t elevate, per applicazioni criogeniche, per valvole, al
Pb e/o S per migliorare la lavorabilità, …
Acciai – Classificazione (3/4)
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Acciai per uso generale (indicati in base alla resistenza)
sono commercializzati
– con svariate forme lamiere, barre, tubi, profilati (a L, a T, …)
– per particolari lavorazioni imbutitura, tranciatura, …
La normativa prevede tabelle non tanto per i materiali quanto
per i semilavorati
Molti produttori indicano i materiali con sigle proprie
Acciai – Classificazione (4/4)
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Leghe di ferro e carbonio in percentuali tra il 2% e il 6%
Possono essere presenti altri elementi per conferire
particolari caratteristiche (Si, Mn, …)
Carbonio presente non solo combinato ma anche sotto
forma di grafite, come lamelle o noduli
Le ghise sono lavorate prevalentemente per fusione
Ghise (1/9)
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Classificazione
(sulla base della ripartizione fra carbonio allo stato di grafite oppure combinato)
– ghise grigie: 3 3,5 % C lamellare, 1,5 % Si
– ghise bianche: C è presente prev. come carburi di ferro
– ghise malleabili
– ghise sferoidali
– ghise meehanite, aciculari, ...
Ghise (2/9)
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Caratteristiche meccaniche
– temperatura di fusione
1100 °C per ghisa bianca
1200 °C per ghisa grigia (però è più lavorabile)
– elevata colabilità
– durezza
ghisa grigia: mediocre buona lavorabilità alle m. u.
ghisa bianca: elevata
– resistenza
compressione: elevata
trazione: ridotta (per incrementarla: elementi in lega, trattamenti
termici)
limite di fatica: elevato (rispetto a quello di trazione)
elevata capacità smorzante di vibrazioni
buona resistenza alla corrosione
Ghise (3/9)
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Trattamenti termici
agiscono sul carbonio combinato, non hanno effetto su quello grafitico
– ricottura a bassa temperatura per eliminare le tensioni interne che si realizzano durante il raffreddamento per le differenze di spessore
riscaldamento a 500 650 °C, raffreddamento lento
durata 4 6 ore
non incide sulla durezza e sulla lavorabilità
– ricottura ad alta temperatura per migliorare la lavorabilità (anche per malleabilizzazione ghisa bianca)
riscaldamento a 900 1000 °C
altro tipo di ricottura 850 900 °C su ghisa grigia per ottenere la ghisa sferoidale
– bonifica
trattamento utilizzato per la ghisa sferoidale
– nitrurazione
segue la bonifica e conferisce elevata durezza superficiale
Ghise (4/9)
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Tipo Denom. Rif.UNI R N/mm2 A % HB
grigia 100 ISO 185 100
“ 150 “ 150
“ 200 “ 200
“ 250 “ 250
“ 300 “ 300
“ 350 “ 350
mall. bianca W 35-04 ISO 5922 350 4 230
mall. nera B 35-10 “ 350 10 150
mall.perlitica P 50-05 “ 500 5 220
sferoidale 400-15 ISO 1083 400 15 265
sferoidale 700-2 “ 700 2 155
Ghise (5/9)
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Tipo Denom. R kg/mm2
grigia G 10 UNI 5007-69 10
“ G 15 UNI 5007-69 15
“ G 20 UNI 5007-69 20
“ G 25 UNI 5007-69 25
“ G 30 UNI 5007-69 30
“ G 35 UNI 5007-69 35
Tipo Denom. HB
grigia per usi aut. Gh 130 UNI 5330-69 130 180
“ Gh 190 UNI 5330-69 190 240
“ Gh 230 UNI 5330-69 230 280
Ghise (6/9)
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Tipo Denom. R kg/mm2 HB kg/mm2
ghisa malleabile
bianca
GMB 35 UNI 3779-69 34 35 125 200
“ GMB 40 UNI 3779-69 38 40 125 200
“ GMB 45 UNI 3779-69 45 150 210
“ GMB 50 UNI 3779-69 50 170 230
“ GMB 55 UNI 3779-69 55 190 240
“ GMB 65 UNI 3779-69 65 210 250
“ GMB 70 UNI 3779-69 70 240 285
Ghise (7/9)
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Tipo Denom. R kg/mm2 HB kg/mm2
ghisa malleabile
nera
GMN 35 UNI 3779-69 35 110 150
“ GMN 37 UNI 3779-69 37 120 160
“ GMB 45 UNI 3779-69 45 150 210
“ GMN 50 UNI 3779-69 50 170 230
“ GMN 55 UNI 3779-69 55 190 240
“ GMN 65 UNI 3779-69 65 210 250
“ GMN 70 UNI 3779-69 70 240 285
La ghisa malleabile ha caratteristiche meccaniche prossime a quelle degli
acciai
Ghise (8/9)
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Tipo Denom. R N/mm2 A %
ghisa sferoidale GS 370-17 UNI 4544-74 370 17
“ GS 400-12 UNI 4544-74 400 12
“ GS 500-7 UNI 4544-74 500 7
“ GS 600-2 UNI 4544-74 600 2
“ GS 700-2 UNI 4544-74 700 2
“ GS 800-2 UNI 4544-74 800 2
Le ghise meehanite sono ghise in cui la grafite è dispersa in modo
uniforme e molto fine
Il getto risente meno delle tensioni interne per le differenze di spessori
Ghise (9/9)
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Le leghe dell’alluminio sono utilizzate in fonderia e per lavorazioni plastiche nell’industria meccanica ed aeronautica per la leggerezza (g = 3 kg/dm3)
Sono caratterizzate da:
– elevata resistenza meccanica (R fino a 70 kg/mm2)
– elevata resistenza alla corrosione (da agenti atmosferici, fumi)
– elevata conduttività termica
– elevata conduttività elettrica
– amagneticità
– lavorabilità
– valore di recupero
Alluminio (1/3)
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Designazione
Elementi di lega:
– Si aumenta la colabilità (silumin, silafont)
– Cu aumenta la resistenza meccanica (duralluminio, avional)
– Zn aumenta resistenza e corrodibilità (ergal)
– Mg resistenza alla corrosione (peraluman, anticorodal)
G lega per getti in sabbia e in conchiglia
GD lega per getti colati a pressione
P lega da lavorazione plastica
Alluminio (2/3)
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Designazione UNI Trattamento R N/mm2 A % HB Nome commer.
P-AlCu4MgMn 9002 bonificato 450 12 112 duralluminio
P-AlMn1,2 9003 estruso 125 35 37 aluman
P-AlMg4,5 9005 estruso 280 22 75 peraluman
P-AlMgSi 9006 ricotto 135 25 30 anticorodal
P-AlZn4,5Mg 9007 bonificato 630 7 170 ergal
G-AlSi 13 4514 170 4 50 silumin
G-AlCu10FeMg 3041 180 0,5 75 alcufont
G-AlZn5MgFe 3602 invecchiato 240 4 90 inafond
G-AlSi10CuMgNi 3050 bonificato 300 0,4 110 termafond
Alluminio (3/3)
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Il magnesio e le sue leghe sono usati per la grande leggerezza (g = 1,8 kg/dm3)
Sono distinte in:– leghe allo stato di pani
– leghe allo stato di getti
G lega allo stato di pani
Gs lega per getti in sabbia
Gc lega per getti in conchiglia
GD lega per getto colato a pressione
GD – Mg Al 8,5 Zn Mn UNI 6169-68
Magnesio
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Il rame puro è tenero e malleabile, facilmente saldabile, ed ha elevata conduttività termica ed elettrica.
Difficoltà di fusione
Leghe del rame:
Cu + Sn Bronzi
Cu + Zn Ottoni
Rame (1/4)
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Bronzi
– ordinari
Sn dal 2 al 25% (all’aumentare di Sn aumenta la durezza e diminuisce la malleabilità)
– speciali
con Al (dal 3 al 10%) tenaci e resistenti alla corrosione
fosforosi duri e resistenti all’usura
al Mn elevata resistenza meccanica ed alla corrosione in mare
al Ni inossidabili e fucinabili
al Si elevata conducubilità elettrica
Rame (2/4)
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Ottoni
– ordinari (binari)
Zn dal 10 al 35% (all’aumentare di Zn aumenta la durezza e
diminuisce la malleabilità)
– speciali
con Al costruzioni navali
con Pb lavorazioni alle macchine utensili
sono caratterizzati da
– forte resistenza alla corrosione atmosferica
– buona saldabilità
– buona deformabilità a freddo (imbutitura) e a caldo (forgiatura)
– buona lavorabilità alle macchine utensili
Rame (3/4)
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Tipo Denom. Rif.UNI R N/mm2 A % HB
bronzo P-CuSn7 2527 450 18 100
ottone P-CuZn40 4891 410 20 110
ottone P-CuZn15 4898 300 15 70
bronzo G-CuSn10 7013 250 12 65
ottone G-CuZn38Pb2 5035 350 20 75
bronzo G-CuSn5Zn5Pb5 7013 210 15 65
Rame (4/4)
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Utilizzati per realizzare cuscinetti a strisciamento (bronzine)
Metalli bianchi antifrizione
– Sn Sb 6,5 Cu 3,5 UNI 4515
– Sn Sb 8 Cu 7 UNI 4515
– Sn Sb 11 Cu 6 UNI 4515
– Sn Sb 11 Cu 9 UNI 4515
– Sn Sb 12 Cu 6 Pb 2 UNI 4515
Materiali antifrizione
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La gomma è un materiale naturale che si ottiene
vulcanizzando il lattice ottenuto dalla pianta della gomma
Gli elastomeri sono invece materiali sintetici ottenuti
mediante polimerizzazione (isoprene, neoprene, buna, ...)
NBR 50, NBR 70 elastomeri a base nitrilica
Gomma ed elastomeri
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Documentazione
E. Chirone, S. Tornincasa, “Disegno Tecnico Industriale”,
Vol. 1, 2, Edizioni Il Capitello, Torino, 1997