Acciaio
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| Generale | |||||
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| Nome | acciaio | ||||
| Serie chimica | leghe metalliche | ||||
| Densità | 7850 kg/m³ | ||||
| Colore | grigio lucente |
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| Proprietà fisiche | |||||
| Stato di aggregazione | solido | ||||
| Punto di fusione | < 1808 K (1535 °C) | ||||
| Punto di ebollizione | |||||
| Resistenza a compressione (Kg/m²) | |||||
Acciaio è il nome dato ad una lega composta principalmente da ferro e carbonio, quest'ultimo in percentuale non superiore al 2,11%: oltre tale limite, le proprietà del materiale cambiano e la lega assume la denominazione di ghisa.
Oltre al carbonio possono essere presenti degli ulteriori elementi alliganti. In base alla composizione chimica gli acciai si possono distinguere in tre gruppi:
- acciai non legati
- acciai leggermente legati (basso legati)
- "acciai legati".
Il carbonio si presenta esclusivamente sotto forma di cementite o carburo di ferro. Le particelle di cementite presenti nella microstruttura dell'acciaio, in determinate condizioni, bloccano gli scorrimenti delle dislocazioni, conferendo all'acciaio caratteristiche meccaniche migliori di quelle del ferro puro.
Gli acciai sono leghe sempre plastiche a caldo, cioè fucinabili, a differenza delle ghise.
Vengono detti acciai dolci quegli acciai al carbonio con una percentuale di carbonio inferiore all'1%; essi sono i più comuni e meno pregiati.[1][2]
[modifica] Cenni storici
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Per approfondire, vedi la voce Storia della siderurgia. |
L'importanza dell'acciaio è enorme, i suoi usi sono innumerevoli, come anche le varietà in cui esso viene prodotto: senza la disponibilità di acciaio in quantità e a basso costo, la rivoluzione industriale non sarebbe stata possibile. Col passare del tempo le tecniche di produzione dell'acciaio si sono andate perfezionando e settorializzando, per cui ai nostri giorni esistono molteplici tipologie di acciai, ciascuna relativa a diverse esigenze progettuali e di mercato.
[modifica] Produzione dell'acciaio
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Per approfondire, vedi le voci Centro siderurgico e Lavorazione mineraria. |
Attualmente nel mondo si producono ogni anno oltre 1 miliardo di tonnellate di acciaio [3], successivamente lavorato tramite diversi processi di produzione industriale, quali ad esempio la fusione, la forgiatura, il trattamento termico e lo stampaggio.
[modifica] Estrazione e preparazione dei minerali di ferro
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Per approfondire, vedi la voce ferro. |
Il processo industriale siderurgico comincia con l'estrazione dei minerali metalliferi contenenti il ferro (che non si trova allo stato puro in natura) dalle cave o dalle miniere. Come per molti metalli, si effettua la frantumazione dei minerali estratti ed una successiva macinazione. Questi vengono lavati da polveri ed impurità e categorizzati a seconda della concentrazione dei metalli contenuti mediante separazione magnetica o gravitazionale. Seguono poi le operazioni di flottazione, vagliatura, calibratura, essiccazione, calcinazione e arrostimento dei minerali. A questo punto i minerali di ferro sono stati ripuliti dalla maggior parte delle impurità e sono pronti per essere fusi negli altiforni [4].
[modifica] Produzione della ghisa grezza
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Per approfondire, vedi la voce Altoforno. |
La ghisa è una lega ferro-carbonio a tenore di carbonio relativamente alto (> 2,06% fino al 6%); è il prodotto finito risultante dai processi chimici e termici che avvengono all'interno dell'altoforno. La lavorazione inizia con la preparazione della cosiddetta "carica", ossia un composto di minerale ferroso, coke e calcare, dopodiché questa è introdotta nella bocca dell'altoforno, posta alla sua cima, da montacarichi a piano inclinato. All'interno, l'aria calda proveniente dal Cowper[5] surriscalda il coke, che diventa subito incandescente grazie all'ossigeno in esso contenuto. Grazie alla formazione di monossido di carbonio (CO) avviene la seguente reazione: FeO + CO -> Fe + CO2, ossia si separa l'ossigeno dal ferro presente nei minerali caricati.
Intanto l'ossido di carbonio, salendo verso la bocca dell'altoforno, si scinde parzialmente in anidride carbonica e in carbonio libero (C), producendo molto calore; la corrente calda dei gas nell'ultima parte del tino dell'altoforno riscalda i materiali solidi freddi provocandone la disidratazione. Il processo è continuo, lo si interrompe solo quando la struttura del forno, dopo anni d'utilizzo, va rivestita nuovamente con materiale inerte o riparata. L'estrazione della ghisa fusa (spillatura) e delle scorie avviene col forno acceso. La spillatura avviene solitamente ogni 3-4 ore, ma tra il caricamento e l'estrazione del prodotto finito si calcola che intercorrano 6 ore. Durante la colata all'esterno il vento caldo proveniente dal Cowper viene arrestato (il crogiolo rimane caldo per circa un'ora senza aria calda) .
La ghisa prodotta viene messa in lingottiere e lasciata raffreddare, dopodiché può essere inviata all'acciaieria o alla fonderia o ancora lavorata ulteriormente e venduta così com'è [4].
[modifica] Affinazione della ghisa grezza per la produzione degli acciai di base e di qualità (convertitori)
All'uscita dall'altoforno la ghisa presenta un tasso di carbonio ancora elevato, rendendola particolarmente dura e fragile, ovvero di scarso interesse industriale. Essa è quindi trattata in apposite strutture (convertitori), qui è investita da un getto d'aria continuo, grazie al quale il carbonio presente nella ghisa si combina con l'ossigeno dell'aria, formando anidride carbonica, smaltita attraverso i fumi, insieme ad altre impurezze presenti nella ghisa. Durante tutto il processo d'affinazione della ghisa in acciaio, si toccano temperature prossime ai 1000 °C e non è necessario fornire ingenti quantità di calore; poiché la reazione di formazione dell'anidride carbonica, essendo fortemente esotermica, consente al processo di autoalimentarsi. Per la fabbricazione dell'acciaio sono state usate diverse tecniche per l'affinazione della ghisa, che vedono l'utilizzo di rottami. Alcuni di questi procedimenti ancora oggi sono usati. I più diffusi sono o sono stati:
- La Tecnica del "puddellaggio": era quella adottata prima del 1860, quando si diffuse l'uso del forno Martin-Siemens. La ghisa veniva versata in un crogiolo riscaldato dal carbone posto sotto di esso in una camera di combustione separata. La fiamma e i fumi caldi prima di essere dispersi in atmosfera surriscaldavano la superficie del crogiolo; il bagno metallico ivi contenuto veniva così riscaldato e si poteva procedere all'affinazione della ghisa. Purtroppo però la temperatura raggiunta non era mai sufficiente affinché la massa metallica rimanesse fluida e fusa. Per questo gli operai dovevano continuamente rimestare e agitare il bagno affinché non si raffreddasse e non si solidificasse (il nome di questa tecnica deriva dal verbo inglese to puddle, ossia rimestare, mescolare una massa).
- Il Processo al forno Martin-Siemens: l'affinazione avviene in due tempi distinti. Il primo consiste nell'ossidazione del bagno di metallo fuso all'interno del forno, il secondo consiste nella desolforazione del bagno e la liberazione degli ossidi di ferro. Quest'ultima operazione avviene all'interno di una siviera dove è colato il metallo fuso. Dopo la colata e la creazione della scoria (scorificazione), il metallo è lasciato riposare in modo che si liberino i rimanenti gas in esso contenuti, dopodiché si procede al colaggio nelle lingottiere.
- I Processi al convertitore: contemporaneamente al processo al forno Martin-Siemens venne sviluppato quello al convertitore. Esso nacque nel 1856 dall'idea di Henry Bessemer di far attraversare la ghisa liquida da un getto d'aria compressa insufflata da fori posti sul fondo del crogiolo. L'inventore inglese notò l'estrema facilità con cui il carbonio, il silicio e il manganese si combinavano con l'ossigeno. Dato che queste sostanze erano presenti nella ghisa fusa, volle applicare la sua intuizione alla siderurgia per affinare la ghisa dalle sostanze dannose per la lega metallica risultante. Inoltre, l'ingegnere inglese volle trovare il modo di produrre molto calore così che la temperatura del bagno si mantenesse costante. Il convertitore da lui inventato fu fornito di un rivestimento refrattario acido, per questo il processo era acido e poteva convertire solo ghisa ad alto tenore di silicio, quindi inadatto alle ghise ad alto tenore di fosforo. Dato questo limite strutturale nel 1879 fu ideato da Thomas e Gilcrist un convertitore con rivestimento basico.
Più recentemente si è diffuso l'uso di un convertitore dove viene soffiato solo ossigeno al disopra del bagno: il cosiddetto convertitore a ossigeno. Il più diffuso è il convertitore L.D., che permette di lavorare la ghisa fusa con un'aggiunta di rottame fino al 30%.
- Il Processo al forno elettrico: è usato per la produzione d'acciai speciali . La nascita dei primi forni elettrici risale all'inizio del 1900. Il funzionamento consisteva nella fusione dei rottami ferrosi nel forno fusorio, grazie al calore sprigionato da un arco voltaico generato tra tre elettrodi di graffite ed il rottame sottostante[4].
[modifica] Colata dell'acciaio
[modifica] Colata in lingotti
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Per approfondire, vedi la voce Colata in lingottiera. |
La siviera dove è stato colato l'acciaio presenta un foro sul fondo aperto da un dispositivo a spina; sulla parete del contenitore sono posti due perni per il suo sollevamento e un maniglione per il suo rovesciamento. Una volta sollevata, la siviera è posta sopra a delle lingottiere in ghisa e si procede al colaggio del metallo. Esistono tre sistemi per versare l'acciaio nelle lingottiere:
- Colaggio diretto: consiste nel portare la siviera sopra alla lingottiera e colare in essa il metallo.
- Colaggio in sorgente: l'acciaio è scaricato in una colonna, essa è collegata a canali sotterranei che portano il metallo a sorgere nella lingottiera dal fondo.
- Colaggio sotto vuoto: è impiegato solamente per la produzione di grossi lingotti ed evita che si formino occlusioni gassose.
Dopo il colaggio le lingottiere vengono portate nel reparto per lo strippaggio, ossia si estraggono i lingotti appena solidificati dalle lingottiere. Queste sono capovolte e, tramite due becchi posti ai lati, con due speciali tenaglie si provvede a sfilare il lingotto dal contenitore [6].
[modifica] Colata continua
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Per approfondire, vedi la voce Colata continua. |
La colata continua è un procedimento più recente della colata in lingotti, che abbina il processo di solidificazione alla laminazione primaria [7].
Dopo la fabbricazione dell'acciaio liquido, esso viene portato con recipienti, detti siviere, alla macchina di colaggio; le siviere sono in acciaio rivestite di adeguato materiale refrattario. A seconda della capacità del forno, le siviere hanno una capacità di 60÷300 t. L'acciaio viene passato dalla siviera in un recipiente detto paniera, e da questo colato tramite un tubo, detto tuffante (o scaricatore), ad una lingottiera in rame raffreddata, che può avere varie forme (rettangolare, quadrata o tonda). A seconda della forma del prodotto grezzo colato il processo di colaggio si differenzia in forma di prodotti piani o lunghi. I prodotti piani hanno solitamente dimensioni comprese fra 1 e 2 metri e spessore di 150÷250 mm. I prodotti lunghi possono essere tondi con diametri fra 180 e 700 mm, oppure a sezione quadrata o rettangolare, di dimensioni 140÷160 mm o infine con dimensioni fra 200 e 400 mm.
Nella lingottiera l'acciaio inizia a solidificare e forma un guscio solido che costituisce la parte esterna del prodotto finale. La solidificazione si completa nella fase immediatamente successiva, attraverso il raffreddamento secondario. Questo viene svolto da una serie di ugelli che spruzzano acqua sulla superficie del prodotto in fase di solidificazione. A solidificazione ultimata, il prodotto grezzo viene sezionato nella macchina di taglio in parti di lunghezza definita ed è quindi pronto per la fase successiva di laminazione, eventualmente preceduta da trattamenti termici.
La colata continua ha portato a fine anni settanta all'introduzione di un nuovo tipo di impianto siderurgico, chiamato mini-mill. L'acciaio è prodotto dalla fusione tramite fornace ad arco elettrico (vedi sezione precedente) di rottami ferrosi e successivamente colato in modo continuo in billette di piccola sezione per essere lavorato in coils, funi o altri semilavorati. Rispetto alla produzione tradizionale (cokeria - altoforno) questo approccio ha il vantaggio di essere estremamente più flessibile, dal momento che la produzione può essere rallentata o fermata spegnendo la fornace ad arco elettrico, in accordo alle fluttuazioni correnti del mercato dell'acciaio.
[modifica] Designazione alfanumerica degli acciai
Esistono moltissimi tipi di acciaio, le cui composizioni e denominazioni sono stabilite da apposite norme tecniche: in Europa le Euronorme (EN) emesse dal Comitato Europeo di Normazione (CEN) e in America l'ASTM (America Society Testing Materials), in collaborazione con l'AISI (American Iron and Steel Institute) ed internazionalmente le ISO (International Standard Institute).
Gli acciai possono essere classificati in:
- Gruppo I (UNI EN 10027-2): acciai di base e di qualità.
- Gruppo II: acciai speciali (differiscono dagli altri acciai per la loro composizione chimica).
[modifica] Gruppo I (UNI EN 10027-2)
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Per approfondire, vedi la voce acciaio strutturale. |
Costituiscono il tipo più comune e meno costoso. Comprendono gli acciai di base e di qualità, anche detti acciai da costruzione di uso generale.
Hanno caratteristiche meccaniche inferiori rispetto agli acciai speciali. In particolare, sono adatti a resistere a sollecitazioni soprattutto statiche (come nel caso delle costruzioni civili).
Attualmente, sono di solito posti in opera mediante saldatura, da cui la necessità di un'adeguata saldabilità. Sono generalmente impiegati allo stato grezzo di laminazione (non hanno quindi bisogno di essere sottoposti a trattamento termico), anche se in qualche caso sono sottoposti a normalizzazione.
A temperature molto basse possono perdere resilienza, diventando fragili (fenomeno della transizione duttile fragile).
La designazione deve comprendere i seguenti simboli:
- TA ricottura di distensione
- TB ricottura di coalescenza
- TC ricottura completa
- TD normalizzazione
- TE normalizzazione e rinvenimento di distensione
- TF bonifica
- TG austenizzazione.
Requisiti particolari:
- KD acciaio adatto alla deformazione plastica a freddo
- KQ acciaio adatto alla bordatura
- KR acciaio adatto alla produzione di tubi saldati
- KU acciaio adatto alla costruzione di utensili
- KW acciaio adatto all'impiego ad alte temperature.
[modifica] Gruppo II
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Per approfondire, vedi la voce Acciai legati. |
Corrisponde agli acciai speciali, che sono acciai con caratteristiche particolari. Talvolta hanno caratteristiche meccaniche superiori, che si ottengono a seguito di un appropriato trattamento termico. Si posso dividere in 4 sottogruppi:
- 2.1 acciai non legati (ad eccezione degli acciai per lavorazioni meccaniche ad alta velocità), con tenore medio di manganese inferiore all'1%;
La designazione deve comprendere i seguenti simboli: La lettera C, un numero corrispondente alla percentuale media di carbonio moltiplicata per 100 (ad esempio C50).
- 2.2 acciai non legati con tenore medio di manganese maggiore all'1%; acciai non legati per lavorazioni meccaniche ad alta velocità, debolmente legati con massa ponderale di ciascun elemento inferiore al 5%;
La designazione deve comprendere i seguenti simboli: Un numero corrispondente alla percentuale media di carbonio moltiplicata per 100, i simboli degli elementi di lega se superano un limite loro caratteristico (es. Mn 0,8-1%, Si 1%), il tenore percentuale in massa del primo elemento moltiplicato per: 4 per Ni e Cr 10 per Mo 1000 per B e arrotondato all'intero più vicino (ad esempio 36 CrNiMo7).
- 2.3 acciai fortemente legati (se hanno almeno un elemento di lega superiore al 5%);
La designazione deve comprendere i seguenti simboli: La lettera X, un numero corrispondente alla percentuale media di carbonio moltiplicata per 100, i simboli degli elementi di lega se superano il limite loro caratteristico, le percentuali in massa degli elementi citati SOLO se superano il 5%, scritti in 2 numeri e separati da trattino (ad esempio X 10CrNi 18-08).
- 2.4 acciai rapidi.
La designazione deve comprendere i seguenti simboli: Lettere HS, i numeri corrispondenti agli elementi in lega separati da trattini. I numeri corrispondono ai seguenti elementi in questo ordine: W,Mo,V,Co (Es. Hs 2-9-1-8).
[modifica] Acciai di comune impiego in base alla destinazione d'uso
[modifica] Acciaio da bonifica
È adatto a sopportare carichi elevati, urti e soprattutto a resistere a fatica. Possiede il miglior compromesso fra resistenza meccanica e tenacità. Ha una concentrazione di carbonio compreso fra lo 0,21% e lo 0,60%.
Gli elementi leganti, oltre a permettere di diminuire la concentrazione di carbonio alla quale si ha la massima tenacità, hanno le seguenti funzioni:
- nichel: favorisce tenacità e temprabilità;
- cromo: favorisce la temprabilità;
- molibdeno: opera contro lo svilupparsi della malattia di Krupp (fragilità al rinvenimento);
- manganese: migliora la temprabilità;
- vanadio: affina la grana cristallina.
È di solito trattato con la tempra, in acqua o in olio, e con il rinvenimento a circa 620 °C.
Esempi di acciai da bonifica: C40, 39NiCrMo3, 34NiCrMo16, 42CrMo4,36CrMn5.
[modifica] Acciaio da nitrurazione
Sono di solito acciai dolci con un tenore di carbonio tra 0,29-0,43%, o acciai da bonifica con la presenza di alluminio (minimo 1%) o altri elementi leganti che possano formare nitruri come ad esempio il nichel, cromo, molibdeno.
[modifica] Acciaio autotemprante
Questi acciai hanno una velocità di raffreddamento talmente bassa che assumono una struttura di tempra (martensitica) per semplice raffreddamento all'aria. Ulteriore caratteristica è la temperatura del rinvenimento, generalmente intorno ai 200 °C. Queste caratteristiche sono dovute al notevole tenore di elementi pregiati in lega, quali il nichel, il cromo, il molibdeno e il tungsteno, che spostano nettamente verso destra le curve anisoterme. Anche le caratteristiche meccaniche sono eccezionali, con resistenze a trazione elevatissime (dell'ordine di 2000 MPa) e una tenacità soddisfacente anche in virtù del raffreddamento meno drastico in aria. Sono autotempranti anche gli acciai al manganese e al nichel corrispondenti a punti della zona a struttura perlitica dei rispettivi diagrammi di Guillet, vicini alla zona di transizione con quelli a struttura martensitica, ma queste leghe non hanno applicazioni pratiche perché troppo fragili.
Interessanti applicazioni hanno invece gli acciai al cromo-nichel con C = 0,3% - 0,5%; Ni = 3% - 6%; Cr = l% - 2%, e somma dei tre elementi almeno uguale a 5%. Tali materiali dopo ricottura presentano struttura perlitica, assumono facilmente struttura martensitica con semplice raffreddamento all'aria e hanno sia elevata durezza che duttilità e tenacità soddisfacenti: possono rappresentare una valida alternativa ad acciai cementati o nitrurati. Caratteristiche di questi acciai sono:
- indeformabilità alla tempra, permettendo al pezzo di essere temprato successivamete alla lavorazione senza comprometterne la forma;
- semplificazione dei cicli di lavorazione con la soppressione di qualsiasi operazione di indurimento superficiale;
- assenza dello strato superficiale fragile la cui presenza che con la nitrurazione, impedisce di elevare la pressione unitaria, per pericolo di sfondamento dello strato stesso;
- resistenza elevata del pezzo, molto superiore a quelle ottenibili nel nucleo sia con gli acciai da cementazione sia con quelli da nitrurazione.
- la tempra non richiede vasche di raffreddamento e in presenza di aria calma risulta sufficientemente omogenea, dunque ideale per componenti di grosse dimensioni.
[modifica] Acciaio da cementazione
Per eseguire la carbocementazione conviene adoperare un acciaio con bassa percentuale di carbonio, non superiore allo 0,20%, in modo da velocizzare la diffusione e contemporaneamente avere già un nucleo tenace.
Essendo la cementazione costosa, non conviene risparmiare sulla tempra, che invece è indispensabile per massimizzare la durezza ottenibile. Il rinvenimento si ferma sempre al primo stadio.
Possono essere acciai non legati (C10, C16) oppure debolmente legati. Si utilizzano i leganti tipici dell'acciaio da bonifica:
- nichel, per la tenacità e la temprabilità;
- cromo e molibdeno, per la temprabilità e la stabilizzazione dei carburi.
Esempi: C10 (è il più debole), C16, Acciaio 16NiCrMo12 (è il più forte), Acciaio 20NiCrMo2, Acciaio 18NiCrMo5.
[modifica] Acciaio per molle
Proprietà richieste sono:
- tensione di snervamento vicina alla tensione di rottura;
- resistenza alla fatica, ottenuta con struttura omogenea di almeno 80% di martensite al cuore (quindi l'acciaio è molto temprabile).
Con le leghe al solo carbonio, in concentrazione superiore allo 0,40%, si hanno gli acciai armonici, per cemento armato precompresso, funi (in questo caso vengono patentati), strumenti musicali.
Per usi più impegnativi si aggiunge soprattutto il silicio fino al 2%, che rafforza ma infragilisce; il cromo aumenta la temprabilità, il nichel aumenta la tenacità. Alcuni esempi: 55Si7 per sospensioni e balestre dei treni; 52SiCrNi5 per molle di pregio; 50CrV4 (KVRG).
Si esegue sempre il rinvenimento a 450 °C così che i carburi precipitino ma non inizino a coalescere.
[modifica] Acciaio per cuscinetti a rotolamento
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Sono acciai di altissima qualità , sono esenti da materiali intermetallici. Hanno un alto tenore di carbonio e si ottengono da una tempra seguita da rinvenimento a circa 150° C.
- Proprietà
- elevata durezza
- resistenza ad usura
- elevata resistenza a fatica.
Il più utilizzato è il 100Cr6.
[modifica] Acciaio inossidabile
Acciaio inox o acciaio inossidabile è il nome dato correntemente agli acciai con un tenore di cromo indicativamente superiore al 13%, per la loro proprietà di non arrugginire se esposti all'aria e all'acqua: il cromo, ossidandosi a contatto con l'ossigeno, si trasforma in ossido di cromo (CrO2) che crea uno strato aderente e molto resistente, impedendo un'ulteriore ossidazione (tale fenomeno è noto come passivazione).
Sono una classe estremamente importante di acciai, usata per gli scopi più disparati: a partire dalla loro scoperta nel 1913, e grazie soprattutto ai successivi progressi della metallurgia fra gli anni '40 e '60, hanno ampliato il loro sviluppo e le loro applicazioni; tuttora vengono perfezionati e adattati alle richieste dei vari settori industriali, come il petrolifero/petrolchimico, minerario, energetico, nucleare ed alimentare (molto noto in quest'ultimo settore l'acciaio inox 18/10, contenente il 18% di Cromo ed il 10% di Nichel).
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Per approfondire, vedi la voce acciaio inossidabile. |
[modifica] Acciaio per utensili
Per le applicazioni meno severe si possono usare acciai al solo carbonio, altrimenti è necessario aggiungere elementi leganti per aumentare la durezza.
- Carbonio: una concentrazione dello 0,6% potrebbe già offrire la massima durezza, tuttavia parte del C si combina con altri elementi presenti e quindi può essere necessario aumentarne il contenuto.
- Manganese: ha azione disossidante, migliora la temprabilità e facilita la formazione di carburi.
- Silicio: ha azione disossidante, aumenta la resistenza all'ossidazione.
- Cromo: aumenta la temprabilità, stabilizza i carburi.
- Vanadio: previene l'ingrossamento del grano, utile per avere durezza ad alta temperatura.
- Tungsteno e molibdeno: utili per la resistenza all'usura alle alte temperature.
- Cobalto: presente negli acciai super-rapidi.
Data la presenza di carburi di difficile soluzione, la tempra è eseguita ad alta temperatura; si deve comunque valutare bene quest'ultima in quanto, se troppo bassa, il carbonio non si scioglie e si forma martensite povera; se troppo alta, un'eccessiva quantità di carbonio entra nell'austenite stabilizzandola fino a bassa temperatura.
Nel caso di acciai per lavorazioni a caldo e rapidi, si ha un indurimento secondario aumentando la temperatura di rinvenimento oltre i 400 °C.
[modifica] Acciaio rapido
È la più importante tipologia di acciaio utilizzato nella costruzione di utensili per la lavorazione veloce del metallo. Se ne può fare la seguente schematizzazione:
- super rapido (ad esempio X78WCo1805 KU), riconoscibile dalla presenza del cobalto e adatto ad alte velocità di taglio (vt = 40 m/min su materiale con Rm = 500 MPa) ma non ad utensili sottoposti ad urti (ad esempio: barrette, placchette, frese...);
- rapido (ad esempio X85WMo0605 e X85WMoCoV6.5.4.2 KU), che si distingue dal precedente soprattutto per l'assenza del cobalto, acquistando così maggiore tenacità (punte elicoidali, maschi, creatori, coltelli...);
- semi rapido per medie e basse velocità di taglio (vt = 15 m/min su materiale con Rm = 500 MPa).
Normalmente l'acciaio rapido è ricotto a 800-900 °C, temprato a 1180-1300 °C e rinvenuto a 550 °C anche più volte (a causa dell'enorme quantità di austenite residua).
[modifica] Acciaio per lavorazioni a caldo
È una tipologia di acciaio utilizzato nelle lavorazioni con temperatura maggiore di 300 °C e le sue caratteristiche principali sono:
- resistenza all'ossidazione
- resistenza meccanica a caldo
- resistenza allo shok termico
- resistenza alla fatica termica
Le ultime due caratteristiche derivano dall'elevata tenacità del materiale dovuta alla bassa concentrazione di carbonio (0,3% - 0.4% C) e alla presenza del Vanadio che serve per mantenere ridotte le dimensioni del grano ad alte temperature.
[modifica] Acciaio per lavorazioni a freddo
L'elevata durezza è solitamente dovuta all'alto tenore di carbonio; altre proprietà, quali tenacità, resistenza all'usura, indeformabilità al trattamento termico, penetrazione di tempra, capacità di taglio..., sono raggiunte con ulteriori elementi in soluzione. Non ci si deve stupire quindi della composizione molto varia di questi acciai: al carbonio, al cromo-carbonio, al tungsteno-cromo, al tungsteno e al manganese-vanadio.
Il rinvenimento deve essere attorno ai 200 °C, altrimenti si decompone la martensite.
Esempi di acciaio di questa categoria sono X210Cr13, che si può usare per la costruzione di lame per sega circolare, 107WCr5KU, impiegato negli utensili per la lavorazione del legno, X205Cr12KU, utile per esempio per la produzione di punzoni per stampi di pressatura di polveri metalliche.
[modifica] Acciaio amorfo (vetri metallici)
Normalmente l'acciaio ha una struttura cristallina; con velocità di raffreddamento estremamente rapide è possibile inibire la nucleazione, ottenendo una struttura amorfa (stato vetroso). Questo tipo di materiale detto acciaio amorfo o acciaio vetroso può essere, considerato come un liquido super-viscoso, alla pari del comune vetro. Esistono da tempo procedimenti (quali il melt spinning o l'atomizzazione), che permettono di ottenere tali strutture.
Recentemente (articolo sulla rivista Physical Review Letters del 18 giugno 2004) è stato descritto un procedimento più efficace, a lungo inseguito dai metallurgici, per ottenere acciai amorfi.
Alla base del processo, vi è l'aggiunta alla lega di opportuni elementi, quali l'ittrio, che inibiscono la nucleazione, favorendo il mantenimento dello stato amorfo. L'acciaio risultante ha una durezza e una resistenza circa doppia/tripla rispetto a quelle dei migliori acciai convenzionali.
[modifica] Trattamenti termici
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Per approfondire, vedi la voce Trattamenti termici degli acciai. |
I trattamenti termici degli acciai sono delle modificazioni a caldo della struttura molecolare di tali leghe che conferiscono diverse caratteristiche meccaniche agli stessi.
Possono essere suddivisi in due grosse categorie a seconda che si abbia trasformazione di fase o meno.
[modifica] Trattamenti superficiali
[modifica] Carbocementazione
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Per approfondire, vedi la voce carbocementazione. |
Detto anche semplicemente cementazione, è un trattamento termico che consiste nell'aumentare il contenuto di carbonio nello strato superficiale a una temperatura superiore a quella che rende il reticolo cristallino in grado di assorbire carbonio ; questo permette, con la successiva tempra, di ottenere uno strato superficiale molto duro di martensite (una struttura non presente nel diagramma di equilibrio Fe-C), permettendo al pezzo di mantenere buone caratteristiche meccaniche di elasticità. Si può fare in forma solida, liquida o gassosa, ed è seguita dalla tempra del materiale. I pezzi cementati perdono però gradatamente le loro caratteristiche superficiali se sottoposti a temperature oltre i 200 °C.
La fase più lenta del processo, e quindi quella dominante, è la diffusione all'interno della matrice metallica; essa è regolata dalla seconda legge di Fick.
[modifica] Nitrurazione
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Per approfondire, vedi la voce nitrurazione. |
Come la carbocementazione, anche questo è un processo di indurimento superficiale: l'acciaio viene portato a 500 °C e investito da una corrente di ammoniaca gassosa che si dissocia in azoto e idrogeno. L'azoto viene assorbito dagli strati superficiali del metallo con cui forma nitruri, prevalentemente Fe4N, molto duri.
Lo spessore dello strato indurito è minore di quello ottenuto per cementazione, ma in compenso la sua durezza è molto maggiore e rimane stabile fino a temperature di 600-700 °C. Esiste pure la carbonitrurazione: tale processo di indurimento è simile, ma avviene a temperature molto superiori ai 500 °C.
[modifica] Cianurazione
Il trattamento di cianurazione degli acciai consiste nel riscaldare i pezzi a una temperatura di circa 800 °C immergendoli o cospargendoli di cianuro di potassio. Si mantengono nel bagno liquido per circa 10 - 15 minuti e quindi si raffreddano rapidamente. Si solitamente applica agli acciai a basso tenore di carbonio, per aumentarne la durezza. I componenti essenziali dei bagni al cianuro consistono nel cianuro complesso di cadmio, nel cianuro di sodio o di potassio libero e nell'idrossido di sodio o di potassio. Accanto a questi costituenti si trova sempre il carbonato alcalino che si forma spontaneamente con l'anidride carbonica dell'aria.
[modifica] Borurazione
Comunemente chiamato "cementazione al boro", è un trattamento in grado di conferire durezze superiori a 2000 HV. Il processo viene condotto a temperature prossime agli 850 °C posizionando i pezzi meccanici in cassette in acciaio inossidabile alla presenza di carburo di boro e fluoruri alcalini. Il tempo di permanenza a temperatura è direttamente proporzionale alla profondità che si vuole ottenere.
[modifica] Calmaggio
Il calmaggio è una fase del processo di produzione dell'acciaio, che avviene dopo la decarburazione nel convertitore ad ossigeno. Nell'acciaio può essere presente dell'ossigeno residuo, in soluzione sotto forma di monossido di carbonio (CO): l'acciaio è detto effervescente. L'acciaio così prodotto non è facilmente deformabile. Per ridurre tale fenomeno si può (in fase liquida, in siviera) aggiungere piccole dosi di alluminio e silicio, che formano con l'ossigeno degli ossidi solidi. Si produce così acciaio calmato, semicalmato o equilibrato.
[modifica] Il mercato dell'acciaio
L'acciaio è quotato nelle maggiori Borse del mondo. Attualmente, la scalata di Mittal, il colosso siderurgico indiano, su Arcelor, ha creato il primo gruppo mondiale dell'acciaio (la Arcelor Mittal, con una quota di mercato intorno al 10%).
Ad oggi non esiste una Borsa dell'acciaio in cui vengano quotati i prodotti siderurgici. Sono tuttavia allo studio dei progetti finalizzati a crearne una per poter consentire alle aziende l'utilizzo di strumenti derivati di copertura.
[modifica] Classificazione dei prodotti siderurgici
I manufatti finiti di acciaio che interessano maggiormente sono quelli laminati a caldo.
Essi si distinguono in prodotti piatti e prodotti profilati.
Del primo gruppo fanno parte:
- le lamiere: prodotto in lastre piane con bordi liberamente espansi nella laminazione. Il formato delle lastre di lamiera è generalmente rettangolare o quadrato. a seconda dello spessore si distinguono in:
- lamiere sottilissime: spessore sotto i 0,5 mm
- lamiere sottili: spessore sotto i 3,0 mm
- lamiere medie: spessore da 3,0 a 4,75 mm
- lamiere spesse: spessore oltre i 4,75 mm.
- i larghi piatti: prodotto laminato in tavole larghe. La larghezza è maggiore di 150 mm e il suo spessore minimo e di circa 5 mm.
- i nastri: prodotto laminato con bordi espansi liberamente, che immediatamente dopo la laminazione viene avvolto in un rotolo. a seconda della larghezza di distinguono:
- nastro stretto e medio: larghezza sotto i 600 mm;
- nastro largo: larghezza almeno di 600 mm.
I prodotti profilati si distinguono in:
- acciai profilati: prodotto finito trafilato a caldo in barre diritte la cui sezione può essere a T a doppio T a H a U a L (angolari), ecc.
- acciai in barre: prodotto finito trafilato a caldo che normalmente viene fornito in barre dritte: la sua sezione è normalmente circolare, ma può avere anche altre forme.
- fili laminati: prodotto finito laminato ed avvolto a caldo in rotoli. La sezione è normalmente circolare ma può avere anche altre forme.
[modifica] Note
- ^ http://www.diegm.uniud.it/fmiani/TESI%20DI%20LAUREA/Michele%20Candido/dispense%20units/FerroCarbonio.pdf
- ^ http://www.anellieflange.com/carpenteria/carpenteria-meccanica/
- ^ produzione 2008: 1.329,7 milioni di tonnellate - [www.worldsteel.org]
- ^ a b c AA.VV. Scienza. Enciclopedia tecnica e scientifica, Fratelli Fabbri Editori, Milano, 1966, voll. II, III, IV , V pp. 410-414, 466-471, 533-538, 925-929, 1054-1059, 1236-1241, 1320-1324, 1513-1517
- ^ Il Cowper è un tipo di scambiatore di calore rigenerativo, in cui una corrente viene scaldata grazie al calore che viene prima ceduto da un fluido caldo alle pareti e poi ceduto dalle pareti ad un fluido che viene fatto passare successivamente nell'apparecchiatura.
- ^ AA.VV., Scienza. Enciclopedia tecnica e scientifica, op. cit., vol. III, p. 929
- ^ Viene detta "laminazione primaria" perché è la prima che subisce il materiale.
[modifica] Bibliografia
- AA.VV. Scienza. Enciclopedia tecnica e scientifica, Fratelli Fabbri Editori, Milano, 1966, voll. II, III, IV , V pp. 410-414, 466-471, 533-538, 869-873, 925-929, 1054-1059, 1236-1241, 1320-1324, 1513-1517.
[modifica] Voci correlate
- Acciai legati
- Acciaio effervescente
- Acciaio inox
- Acciaio Corten
- Acciaio Damasco - denominazione impropria per indicare l' "acciaio a pacchetto"
- Acciaio Maraging
- Acciaio strutturale
- Acciaio super rapido definito anche come acciaio HSS
- KVRG
- London Metal Exchange - mercato dei metalli non ferrosi
- Metallurgia
- Storia della siderurgia
- Corrosione
- Biocorrosione
- Frattura
[modifica] Altri progetti
Wikimedia Commons contiene file multimediali su Acciaio
Wikizionario contiene la voce di dizionario «Acciaio»
[modifica] Collegamenti esterni
- Taglio termico dell'acciaio
- Foto delle acciaierie
- Gli acciai: designazione, elementi di lega, applicazioni
- Ferro, acciai e ghise
- Magazine sull'Acciaio in Architettura
- Lega Ferro-Carbonio
- Produzione dell'acciaio
