GLI ELEMENTI NEGLI ACCIAI

1. GLI ELEMENTI NEGLI ACCIAI • Negli acciai, normalmente, oltre al carbonio sono presenti tre categorie di elementi: • Impurezze • Aggiunte standard • Elementi di lega. • IMPUREZZE. • ZOLFO E FOSFORO. Lo zolfo comporta l’insorgere della cosìdetta “fragilità a caldo”, il fosforo può comportare “fragilità a freddo”. • IDROGENO. L’idrogeno è sempre e comunque dannoso. • OSSIGENO. E’ quasi sempre presente sotto forma di ossidi. Poco dannoso. • AZOTO. Aumenta la resistenza del materiale, diminuendone tenacità e duttilità; in certi casi viene perciò aggiunto di proposito. L’azoto è causa del fenomeno dell’invecchiamento per deformazione, e quindi deve essere controllato nei materiali che devono subire deformazione a freddo.

2. AGGIUNTE STANDARD. MANGANESE. Si trova in tutti gli acciai, con pochissime eccezioni. Il motivo per cui viene aggiunto è la sua capacità di formare solfuri. Tipici tenori 0.3  0.5 % (non è considerato elemento di lega per tenori inferiori all’1 %). MICROALLIGANTI. Lo scopo principale dei microalliganti (Nb, Ti, Ta) è sostanzialmente quello di limitare l’accrescimento del grano. (formazione carburi e nitruri fini stabili ad alta T). I più frequenti sono Nb e Ti. SILICIO E ALLUMINIO. Servono essenzialmente ad eliminare l’ossigeno libero (sono utilizzati negli acciai calmati): Hanno un’elevata affinità con l’ossigeno e formano ossidi molto fini e altofondenti. Per questi scopi il Si ha tenori all’incirca dello 0.3 % e l’Al dello 0.06 %.

3. ELEMENTI DI LEGA L’aggiunta di elementi di lega agli acciai hanno come fine quello di incrementarne i limiti resistenziali (sS e sR maggiori) senza decrementare troppo la tenacità. Questo risultato è strettamente legato ai trattamenti termici prima visti: la presenza degli elementi di lega permette di realizzare trattamenti termici che altrimenti non sarebbe possibile realizzare e comunque fanno sì che i risultati siano molto più soddisfacenti, in particolare per pezzi di elevato spessore. In linea di massima, quindi, gli elementi di lega migliorano la trattabilità del pezzo. Gli elementi di lega possono poi ordinarsi in base all’AFFINITA’ PER IL CARBONIO’, ovvero alla loro tendenza a FORMARE CARBURI. N Co Al Si Fe Mn Cr Mo V Ta Nb Ti

7. CLASSIFICAZIONE DEGLI ACCIAI AL CARBONIO (UNI EU 27/77) Primo gruppo: acciai designati in base alle loro caratteristiche meccaniche (sottogruppo I.1), ed in base all’impiego (sottogruppo I.2). Per questi acciai non è garantita la composizione chimica, ma solo le caratteristiche meccaniche o proprietà particolari che ne determinano l’impiego. Sottogruppo 1.1Fe 410 Pb acciaio con R = 410 MPa contenente Pb in bassi tenori; Sottogruppo 1.2Fe P 03 acciaio in lamiera sottile per imbutitura, grado di qualità 03. Secondo gruppo: acciai designati in base alla loro composizione chimica. Messi in opera dopo un opportuno trattamento termico che ne esalta alcune caratteristiche. Due sottogruppi: acciai non legati (II.1) e acciai debolmente legati e acciai legati (II. 2). Acciai non legati (II.1)C 40 S acciaio non legato da trattamento termico con tenore medio di carbonio 0,4 % e con tenore minimo garantito di zolfo. sottogruppo II.2 : Acciai debolmente legati (II.2): tenore di ogni elemento di lega è < 5 % 18 Ni Cr 16 tenore medio di carbonio 0,18 %, tenore di nichel di circa il 4 % e con tenore di cromo inferiore e imprecisato. Acciai legati (II.2):X 10 CrNi 18 8 – acciaio legato, con tenore medio di carbonio 0,1 %, tenore di cromo di circa il 18 % e tenore di nichel di circa l’8 %.

18. Acciai da Costruzione per uso generale • Impiego in costruzioni civili e a livello di produzione globale sono sicuramente la categoria di acciai più importante (80 % produzione totale. Messi in opera senza trattamenti termici (o, al più, dopo normalizzazione) e poco costosi. Viene di norma richiesto limite di snervamento specifico. • Bassa concentrazione di carbonio, solitamente inferiore a 0,15 % a causa di una caratteristica particolarmente importante per tali acciai: la saldabilità. • Durante la saldatura si raggiungono elevate temperature, tali da portare il materiale in campo austenitico. E’ fondamentale allora che si limiti la formazione di martensite durante il raffreddamento, fase troppo fragile per le applicazioni richieste (WELD DECAY). La formazione di martensite è determinata principalmente dalla chimica del materiale. Si utilizza allora un parametro, detto “carbonio equivalente”, il controllo del quale garantisce la saldabilità in sicurezza del metallo. < 0,45%

19. ACCIAI MICROLEGATI Una particolare tipologia di tali acciai che sta assumendo recentemente grande importanza è quella degli acciai microlegati, i quali contengono elementi come Ti, V e Nb che permettono un controllo delle dimensioni dei grani, promovendo pertanto un tipo di rafforzamento basato su ridotte dimensioni dei grani.

20. Acciai da bonifica • Bonifica = tempra + rinvenimento (550°C650°C). • Gli acciai da bonifica ( Es: C40) hanno il migliore compromesso tra resistenza meccanica e tenacità; valori indicativi: sS = 500  1000 MPa e sR = 600  1500 MPa. • Si possono aggiungere certi elementi di lega: • Carbonio: 0,25-0,6 %. Temprabilità e durezza della martensite. • Manganese: sempre presente aumenta la resistenza del materiale (per soluzione solida), controlla lo zolfo e aumenta la temprabilità dell’acciaio. • Cromo (1%  2%): migliora la temprabilità (sposta a destra le curve di Bain). • Molibdeno (0.1 %  0.5 %): riduce il pericolo di fragilità da rinvenimento. • Nichel (0.5 %  4 %): aumenta temprabilità e tenacità, dunque sarebbe bene aggiungerlo in ogni tipo di acciaio; purtroppo costa molto. • Struttura sorbitica: Fe-a (aciculare) + cementite (sferica). • Gli acciai al carbonio si temprano in acqua o acqua agitata. Gli acciai al C + Cr si raffreddano in olio, riducendo così gradienti termici e possibilità di frattura. • Acciai da costruzione e vengono impiegati in tutti i particolari altamente sollecitati (alberi a gomito, assi, strutture ad alta resistenza etc.).

21. Acciai autotempranti • Sono acciai che prendono tempra in aria. Poiché l’aria è un mezzo raffreddante a bassa drasticità (bassa velocità di raffredamento), dobbiamo spostare a destra le curve TTT per permettere la tempra: questi acciai hanno in genere quantità elevate di elementi di lega. Un esempio è: • 34 Ni Cr Mo 16 • Il vantaggio di raffreddare in aria, è quello di poter temprare pezzi con forma complicata senza provocare fratture (nei pezzi di forma complicata i gradienti termici creano tensioni che nei punti angolosi raggiungono livelli molto alti). • Il riscaldamento di rinvenimento viene fatto in base alle esigenze, seguendo il solito grafico. • Tali acciai sono caratterizzati da un costo elevato, che ne limita l’impiego in campi ristretti.

22. Acciai per molle Elevato carico di snervamento, prossimo al carico di rottura. Non ci si preoccupa quindi della tenacità. Acciai non legati con lo 0.4  0.8 % di carbonio. L’acciaio al C viene sottoposto ad un trattamento di patentamento (ricottura isoterma a 500°C). Successivamente si deforma plasticamente il pezzo in modo da incrudirlo. L’efficacia del trattamento dipende dallo spessore del pezzo; su un pezzo ad elevato spessore può crearsi disparità di temperatura tra cuore e superficie: più è alto lo spessore più la perlite è grossolana (almeno nel cuore). Ma lo spessore interviene anche in fase di incrudimento: tanto maggiore è lo spessore, tanto meno l’incrudimento arriva al cuore del pezzo. In base allo spessore sS può variare dai 3000 MPa ai 1500 MPa. Questo tipo di acciai viene utilizzato anche per realizzare fili ad alta resistenza (come ad esempio i cavi di una funivia, ecc.) 2. Acciai debolmente legati. Vengono usati quando lo spessore è molto elevato. Tempra e rinvenimento relativamente basse. Elementi di lega: Silicio (1.2%2.2%): alza sS a danno della tenacità. Nichel, Cromo: hanno lo stesso ruolo che negli acciai da bonifica. Vanadio: aumenta la resistenza.

23. Acciai per cuscinetti a rotolamento Questi materiali devono avere una buona resistenza ad usura da rotolamento, buona resistenza a fatica e buona tenacità. Il motivo è dovuto alla presenza dei carichi concentrati variabili, che causano rottura per fatica; si possono creare microcricche superficiali, la cui propagazione porta ad un’usura di delaminazione, ed al distacco di scaglie di materiale; se poi il materiale non è tenace le microcricche si propagano rapidamente portando alla rottura per fatica. Queste caratteristiche vengono ottenute fornendo un’ottima qualità al materiale, ovvero riducendo al minimo le impurezze. Acciaio tipico di questa famiglia: 100 Cr 6. Questi materiali sono spesso ottenuti per rifusione sottovuoto: in generale si fa, come trattamento termico, una tempra con rinvenimento alle basse temperature per privilegiare la durezza (150200°C). L’elevato tenore di cromo impedisce la lavorabilità dei pezzi; anche con una ricottura completa, la lavorabilità può risultare insoddisfacente. In tali casi è usuale sottoporre il pezzo anche a ricottura di sferoidizzazione, che spinge al massimo la lavorabilità.

24. Acciai per utensili Elevato tenore di elementi di lega formatori di carburi per conferire grande durezza al materiale. Due categorie: acciai per le lavorazioni a freddo (cesoie, punzoni, lime, utensili manuali. Alta durezza e resistenza all’usura fino a150°C. Acciai ad alto C con eventuali modeste aggiunte di Cr, Mn e V. Raggiungono il massimo grado di durezza possibile (intorno ai 66HRC) degli acciai ma se la temperatura di lavoro dell’utensile sale la durezza diminuisce per il rinvenimento della martensite. 2. Acciai per le lavorazioni a caldo (acciai rapidi) . Elevati tenori di W, Cr e V (in percentuali del 18% W-4% Cr-1% V) con lo 0.8% di C e questi materiali dopo la tempra martensitica subiscono un rinvenimento a circa 600-650°C che provoca un indurimento di invecchiamento. La struttura che si viene così a creare ha elevata resistenza e durezza anche fino ai 500-550°C raggiungibili dagli utensili durante le lavorazioni meccaniche (punte di trapano, utensili da tornio, frese etc.). A volte in questi acciai viene aggiunto il Co (acciai super-rapidi) per evitare la formazione di austenite residua durante la tempra che ne comprometterebbe la durezza.  

25. GHISE Tenore di carbonio superiore a 2,14 %; in pratica, percentuali di carbonio comprese fra il 3 ed il 4,5 %. Temperature di fusione comprese fra 1150 e 1300 °C e basso ritiro che conferiscono una BUONA COLABILITA’. La cementite è un composto metastabile sotto 860 °C, e sotto certe circostanze può dissociarsi a dare origine a ferrite-a e grafite, secondo la reazione: • La tendenza a formare grafite è regolata dalla presenza di elementi di lega (grafitizzanti o meno), e dalla velocità di raffreddamento. La formazione di grafite è promossa dalla presenza di silicio (elemento grafitizzante) in concentrazioni maggiori di circa 1 % e da basse velocità di raffreddamento. Quattro categorie principali: • Ghisebianche • Ghisegrigie • Ghise nodulari • Ghise malleabili.

26. Le ghise bianche Per ghise con basso contenuto di silicio e elevate velocità di raffreddamento, la maggior parte del carbonio si trova sotto forma di cementite invece che di grafite. La superficie di frattura di queste leghe ha un aspetto bianco, e pertanto sono state chiamate ghise bianche. Materiale estremamente duro e non lavorabile alle macchine utensili. Il suo utilizzo è limitato ad applicazioni che necessitano di superfici particolarmente resistenti all’usura, e senza richiesta di duttilità (ad esempio come cilindri di laminazione).

27. Le ghise grigie • Contenuto di carbonio fra il 2,5 e il 4 % e silicio fra l’1 e il 3 %. Nella maggior parte delle ghise il carbonio si trova in forma “fiocchi” (simili ai corn-flakes), che sono generalmente circondati da una matrice di ferrite-a o di perlite. La superficie di frattura assume un aspetto grigio. Sono le ghise più impiegate. • Poco resistente e fragile per sforzi di trazione, conseguenza della sua microstruttura. • Presentano un alta capacità di smorzamento vibrazionale. • Elevata resistenza all’usura. • Alta fluidità allo temperatura di colata, che permette la realizzazione di pezzi di forma complicata. • basso prezzo.

28. Le ghise sferoidali (o duttili) Aggiungendo piccole quantità di magnesio (Mg) o cerio(Ce) alla composizione di una ghisa grigia prima della colata, si formano noduli o particelle sferoidali di grafite. La fase che costituisce la matrice in cui sono immerse le particelle di grafite è perlite oppure ferrite, a seconda del trattamento termico. Le ghise sferoidali sono più resistenti e duttili delle ghise grigie e hanno caratteristiche meccaniche più simili a quelle degli acciai. Per esempio, le ghise sferoidali a matrice ferritico hanno una resistenza a trazione compresa fra 380 e 480 MPa, e un allungamento percentuale compreso fra 10 e 20 %. Le applicazioni tipiche per questi materiali includono valvole, pompe, alberi a gomito, cambi e altre componenti per automobili.

29. Le ghise MALLEABILI Ottenute dalle ghise bianche per riscaldamento a temperature dell’ordine di 800900°C per un prolungato periodo di tempo e in un’atmosfera neutra (in modo da prevenire la formazione di ossidi) per indurre decomposizione della cementite in grafite. La grafite risulta disposta in forme a “rosetta”, circondate da una matrice perlitica o ferritico, a seconda della velocità di raffreddamento finale. Microstruttura simile a quella di una ghisa sferoidale, e questo spiega la relativa elevata resistenza e la buona duttilità o malleabilità di questa ghisa. Le applicazioni principali includono bielle, ingranaggi di trasmissione, supporti del differenziale, per l’industria automobilistica, e ancora flange, raccordi per tubi, e parti di valvole per l’industria pesante, come ad esempio quella ferroviaria o marina.

30. ACCIAI INOSSIDABILI (STAINLESS STEELS, INOX)

31. INOX FERRITICI %C < 0,1% %Cr 13-26% Elementi aggiuntivi: S,P (lavorabilità); Mo (corrosione) ELI (Extra Low Interstitials): tenori assai bassi di C e N e con aggiunte di Mo, capaci per questo di resistenze a corrosione paragonabili agli inox austenitici. (AISI 444, noto anche come lega 18-2 (18 %Cr, 2% Mo).

32. INOX MARTENSITICI %C 0,2-1,2% %Cr 13-18% Elementi aggiuntivi: S,P (lavorabilità);

34. Inox austenitici C<0,1% Cr= 18-24% Ni= 8-20%

35. Acciai austero-ferritici (duplex) Cr = 18-28%; Ni= 4-6% e Mo 1,5-3%

36. Acciai inox indurenti per precipitazione (PH, Precipitation Hardening) A seconda della composizione e del tipo di trattamento termico, si possono avere acciai PH con struttura: Martensitica, Austenitica, Semi-austenitica (struttura 5-20% ferrite, una frazione martensitica e il resto austenite). Ai fini delle diverse strutture possibili è essenziale il bilanciamento tra cromo (alfageno) e Ni (gammageno). Più diffusi a matrice martensitica, di maggiore resistenza meccanica. Per questi acciai si usano di norma le sigle stabilite dai produttori. I PH prodotti dalla ANCO e indicati dalla sigla 17-4 PH (1.4542) X5CrNiCuNb16.4); Per questo acciaio viene inserito il rame, con tenori intorno al 3,5%. In altri acciai si possono trovare niobio e spesso titanio. Il trattamento termico a cui questi acciai vengono assoggettati dipendono dalla struttura di base. I PH martensitici si rinvengono intorno a 450 °C, con formazione di particelle coerenti (intermetallici titanio-nichel oppure rame-nichel). I PH austenitici, di cui il 17-10 è quello più rappresentativo, viene indurito con aggiunte di fosforo oppure, con aggiunte di Ti o Nb. In questo caso si invecchia a temperature un po’ più alte (intorno a 600 °C) con formazione di Ni3Ti e Ni3Al. COMPOSIZIONE CHIMICA INDICATIVA 17-4 PH C S Nb Cu Mn Cr Ni Mo Si 0.02 0.025 5xC 3.20 0.70 15.5 4.5 0.20 0.35

37. Lavorabilità (truciabilità) alle macchine utensili degli inox. Le lavorazioni per asportazione di truciolo prevedono l’uso di utensili con spigolo taglient che, premuto contro il pezzo, esercitano pressioni specifiche tali da rompere la struttura del materiale. Tre principali modalità di formazione del truciolo: 1 – truciolo continuo che scorre senza interruzioni e spesso provoca problemi di intralcio (materiali duttili); 2 – truciolo continuo con formazione ‘tagliente di riporto’ con incollamento del materiale incrudito sul tagliente dell’utensile. Il riporto periodicamente si distacca e si riforma, modificando la gometria dell’utensile, comportando surriscaldamenti locali e cattiva finitura superficiale del pezzo; 3 – formazione di truciolo discontinuo che si allontana dalla zona di lavoro; tipico dei materiali fragili e dei materiali a ‘lavorabilità migliorata’.

38. produzione acciaio liquido

39. ALTOFORNO Flusso in controcorrente con CO e CO2 dalla combustione di aria preriscaldata. Il COKE brucia con formazione di CO2: C + O2 CO2 (fornisce il 56% del calore) L’anidride carbonica reagisce con l’eccesso di carbone: CO2 + C  2CO – 170 kJ (24% del calore) Nella parte alta del forno la carica viene essiccata e preriscaldata; poi, man mano che scende all’interno del forno, l’aumento di temperatura fa sì che il gas eserciti la sua azione riducente secondo le reazioni: 3 Fe2O3+ CO  2 Fe3O4 + CO2 Fe3O4+ CO  3 FeO + CO2 FeO+ CO  Fe + CO2 PRODUZIONE 1500 TONNELLATE GHISA/g

40. CONVERTITORE AFFINAZIONE GHISA-ACCIAIO Principali reazioni nell’affinazione : 2(FeO)+1/2O2(g) = (Fe2O3) (Fe2O3) = 2(FeO)+[O] [Fe] + [O] = (FeO) [C] + [O] = CO(g) [Mn] + [O] = (MnO) [Mn] + (FeO) = (MnO) + [Fe] [Si] + 2[O] = (SiO2) 2[P] + 5 [O] = (P2O5) [S] + (CaO) = (CaS) + [O] [S] + (MnO) = (MnS) + [O] [S] + (MgO) = (MgS) + [O] Le parentesi () si riferiscono ad elementi/composti disciolti nella scoria, le parentesi [] agli elementi disciolti nel bagno metallico. Tutte le reazioni di ossidazione sono esotermiche. L' incremento della temperatura nel convertitore favorisce la fusione dei rottami di ferro (introdotti insieme alla ghisa) e mantiene la scoria fusa.

41. COLATA CONTINUA

42. LAMINAZIONE A CALDO ED A FREDDO.

43. IL CICLO A FORNO ELETTRICO (EAF) Al ciclo integrale, si affianca un secondo ciclo di produzione dell'acciaio che si basa sull'acciaieria elettrica e vede fondamentalmente nel rottame la propria materia prima. L'acciaieria elettrica si articola intorno a tre elementi impiantistici principali: il forno elettrico, il forno siviera, i dispositivi di solidificazione che possono essere la macchina di colata continua così come la fossa di colata.

44. PRODUZIONE ACCIAI INOSSIDABILI

45. Processi produttivi degli acciai inossidabili. • Elaborazione di acciai provenienti da cicli produttivi di base che partono rispettivamente da minerali ferrosi o da rottami. Nel ciclo da minerale, si parte dall’altoforno per la produzione della ghisa, si esegue una defosforazione e si opera con un convertitore con lancia di ossigeno per produrre l’acciaio convenzionale, aggiungendo in questo caso leghe ferro-cromo e minerale di cromo. Si ottiene un acciaio di composizione prossima a quella voluta ad eccezione del carbonio ancora a tenori relativamente elevati. • Di qui, due principali processi di elaborazione dell’acciaio fuso: • VOD (Vacuum Oxigen Decarburization) : ossidazione sotto vuoto dell’acciaio fuso, con insufflaggio di ossigeno. L’allontanamento continuo dell’ossido di carbonio permette di scendere a tenori di carbonio dell’ordine di 0,015 % ed inferiori, senza avere parallelamente ossidazione del cromo. • AOD (Argon Oxigen Decarburization): variante di funzionamento di un convertitore. Si insuffla una miscela di ossigeno e argon allo scopo di diluire l’ossido di carbonio che si sviluppa nella massa liquida. E’ possibile decarburare l’acciaio fino a tenori molto bassi, senza ossidare sostanzialmente il cromo.

46. Gli inox sono tendenzialmente poco lavorabili alle macchine utensili rispetto agli acciai al carbonio, gli austenitici ancor meno dei ferritici e martensitici, per le seguenti ragioni: I carichi di rottura degli inox, anche allo stato addolcito, sono sensibilmente superiori di quelli degli acciai al carbonio nelle medesime condizioni; Il rapporto tra carico di rottura e carico di snervamento è più elevato negli inox che non negli acciai al carbonio nelle analoghe condizioni di ricottura; La tendenza all’incrudimento per deformazione plastica a freddo è maggiore per gli inox e questo comporta una maggior sollecitazione sul tagliente dell’utensile; Gli acciai martensitici ad alto carbonio (AISI 440 A/B/C) contengono un’alta frazione di carburi di cromo (assai duri) che provocano rapida usura degli utensili; La conducibilità termica degli inox, in special modo per gli austenitici, è minore rispetto agli acciai al carbonio e questo comporta maggiori surriscaldamenti dell’utensile; Il coefficiente di dilatazione termica degli austenitici è superiore a quello degli acciai al carbonio e c’è maggior tendenza del pezzo a forzare sull’utensile; Il truciolo prodotto risulta sovente continuo e di difficile spezzettamento.

47. Per particolari caratteristiche di purezza: VIM = Vacuum Induction Remelting, con forno a induzione sotto vuoto; VAR = Vacuum Arc Remelting, rifusione con forno ad arco sotto vuoto; EBM = Electron Beam Melting, con forno a fascio elettronico; EBR = Electron Beam Remelting, processo di rifusione a fascio elettronico; ESR = Electro Slag Remelting, ESR: processo di rifusione di lingotti di inox ottenuti in modo convenzionale, qualora si desiderino materiali a bassa densità di inclusioni non metalliche e di segregazioni. Il procedimento consiste nel rifondere il lingotto, utilizzato come elettrodo di un normale procedimento ad arco sommerso. La fusione avviene sotto protezione di una scoria basso fondente ed elettroconduttrice. Le gocce di acciaio fuso si affinano disponendosi nella sottostante lingottiera, così da riformare goccia a goccia il nuovo lingotto.

48. ACCIAI INOX RISOLFORATI

49. Leghe di alluminio: designazione