Acciai e ghise

Acciai & Ghise

Leghe ferrose e non ferrose

Leghe ferrose: il ferro supera il 50% del peso della lega; acciaio con max 1,7% C, ghise con 2% < C < 4%.

Leghe non ferrose: basate su altri elementi in concentrazioni tali che il ferro, se presente, lo è come impurezza più o meno controllata.

Per la produzione della ghisa si utilizza l’altoforno, che usa come combustibile il carbone coke. Dall’altoforno si ottiene la ghisa grezza usata per la produzione di acciaio e una per la produzione di una ghisa più raffinata.

Produzione della ghisa grezza

Equazione chimica: Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂. Il ferro da +3 è passato a 0 e il carbonio da +2 è passato a +4. Quindi la specie riducente è la specie che ha perso gli elettroni.

Cioè: minerale + dal coke → ghisa grezza. Il ferro esiste in natura nella sua forma ossidata, se voglio il ferro metallico devo ridurre il ferro ossidante e si spende moltissimo; bisogna stare attenti perché una volta che questo si trova metallico ha la tendenza a ossidarsi in presenza di acqua e aria, quindi è necessario trovare un modo per prevenire la corrosione proprio perché non è il suo stato stabile.

Materie prime

• Minerali ferrosi;
• Carbon coke;
• Aria calda arricchita in ossigeno (O₂);
• Calcare (CaCO₃, carbonato di calcio) con la funzione di fondente.

Ha come prodotti: ghisa, ganga, gas di scarico. L’altoforno è un forno costituito da due tratti troncoconici (tino la parte superiore e sacca la parte inferiore) uniti in corrispondenza della loro base maggiore da una zona cilindrica (ventre).

Il materiale grezzo viene introdotto dalla parte alta della struttura ed è formato da:

• Minerali ferrosi: ematite, magnetite, siderite, pirite;
• Carbon coke;
• Calcare con funzione da fondente, aiuta a solubilizzare e a inglobare tutto quello che nel minerale ferroso non è ferro.

Funzionamento dell'altoforno

Al di sotto della sacca c’è il crogiolo che ha la funzione di raccogliere la ghisa prodotta insieme alla scoria. All’interno del crogiolo dell’altoforno si raccolgono la ghisa e la scoria (loppa). Periodicamente la ghisa e la loppa vengono evacuate attraverso dei fori di solata situati lateralmente al crogiolo.

Compito del calcare è quindi di combinarsi con le impurità nei minerali ferrosi per formare composti non miscibili con la ghisa chiamati ganga o scorie. Aiuta a inglobare tutto ciò che nel minerale ferroso non è ferro. Non essendo miscibili ed essendo più leggeri della ghisa, andranno a formare la loppa basica, usata successivamente nel calcestruzzo.

Per fare ciò un metodo è di trattare la ghisa, portandola a fusione, e andando a iniettare ossigeno all’interno del materiale fuso, in maniera tale da ossidare una parte del carbonio presente e trasformandolo in gas per far diminuire la concentrazione di carbonio presente nella ghisa. Si ha così la riduzione nella quantità di carbonio ai valori desiderati.

Trasformazioni nel diagramma ferro-carbonio

Andando a iniettare aria calda la prima cosa che succede è che il materiale in maggior quantità, il ferro, si ossida e si forma l’ossido di Fe, ma in presenza del carbonio si ha la riduzione di ossido di ferro in ferro metallico e si forma CO: FeO + C = Fe + CO. A livello di questo trattamento possono essere aggiunti elementi in lega per formare degli acciai in particolari (inox, HLSA che hanno una concentrazione di elementi in lega abbastanza bassa ma hanno delle elevate proprietà meccaniche).

Leghe Fe-C

Diagramma ferro-carbonio, o meglio ferro-cementite Fe/Fe₃C. Il ferro δ (CCC), γ (CFC, fattore di impacchettamento più elevato di α e δ) e α (CCC). Nonostante che la cella CFC abbia un fattore di impacchettamento maggiore riesce a sciogliere una maggiore quantità di carbonio. Infatti, il ferro ne scioglie lo 0,02%, mentre il ferro γ 2,06% e quello δ 0,2%.

Questo perché, ad alta temperatura, la struttura CCC del ferro δ ha dimensione del lato del cubo più grande perché è una cella più espansa e gli atomi di ferro sono più distanti e quindi anche i vuoti interstiziali hanno un raggio più elevato. Le soluzioni solide Fe-C sono interstiziali, il carbonio va ad occupare gli interstizi, i vuoti, del reticolo cristallino del ferro.

Stati del carbonio nelle leghe binarie ferro-carbonio

Le leghe binarie ferro-carbonio possono presentare il carbonio allo stato liquido (grafite) o combinato come cementite (Fe₃C). La forma più stabile è il carbonio grafitico. Ma tenendo conto della cinetica oltre che alla termodinamica, la separazione del carbonio è favorita ma è cineticamente lenta per cui prende piede un’altra trasformazione. Quindi il carbonio si separa come cementite.

In questo grafico si riportano in blu scuro le curve del diagramma ferro-carbonio stabile, mentre in nero il diagramma ferro-cementite, il diagramma labile. Chiamato labile perché rappresenta ciò che si ottiene da quello favorito cineticamente.

Diagramma ferro-carbonio

Le ascisse vanno da 0 a 6,67: perché quando il carbonio si separa come ferro-cementite, Fe₃C, e al massimo ho 6,67% di carbonio. Prendiamo Fe₃C 100g, il carbonio equivale a: 100 = ° = ° 3 ° * = 6,67.

Sull’asse delle ordinate, abbiamo solo ferro puro nell’origine degli assi. Il punto più alto, 1536 °C, rappresenta la temperatura al di sopra la quale abbiamo solo fase liquida (ferro-δ→L) scendendo sull’asse delle ordinate a 1392°C è da ferro δ a ferro γ, diminuendo la temperatura a 911°C abbiamo da γ a α.

Trasformazioni invarianti

Tre linee orizzontali arancioni indicano trasformazioni invarianti, V=0. Punti appartenenti a queste linee non hanno gradi di libertà. Il diagramma segna anche le fasi. Oltre alla fase liquida abbiamo anche la fase δ, γ (soluzione solida interstiziale nella fase di ferro γ), fase α (soluzione solida interstiziale di carbonio nel ferro α) e Fe₃C.

In particolare, la linea in cima a sinistra riguarda la trasformazione peritettica: quando tocco la linea, la fase liquida e la fase γ hanno la composizione peritettica quindi si realizza la trasformazione da L + γ.

Altre trasformazioni

• Trasformazione eutettica: evidenziata in gialla, L → γ + Fe₃C: C= 4,3% e a T=1153°C.
• Trasformazione eutettoidica: la linea più bassa, da una fase solida ne ottengo due solide: γ → α + Fe₃C: C=0,8% a T=723°C.

Microstrutture degli acciai

• Acciaio eutettoidico: C=0,8%. L’austenite ha la stessa composizione della fase gamma. Percentuale in peso della fase α nel punto 3: il braccio va da 0,002 a sinistra e 6,67 a destra → massimo segmento verde. La quantità di cementite invece si calcola come prima ma considerando il braccio giallo. Sotto il punto 3 ogni grano si trasforma in α + cementite struttura di tipo lamellare: ogni grano si trasforma in grano di lamelle alternate tra α e cementite, detta perlite.
• Acciaio ipereutettoidico: 0 < C < 0,8%. Nel punto 2 abbiamo la separazione dal ferro γ del primo cristallino del ferro α e continua fino a che non si arriva nel punto 3 a T = 723°C + ΔT, poco sopra la temperatura eutettoidica. Nella regione gialla è γ + α. Una certa quantità di γ subisce una trasformazione allotropica e diventa fase α. Per calcolare la % di α che è a sinistra si usa il braccio opposto a α, il segmento verde. Il contrario per γ che usa il braccio azzurro. Nel punto 3 avevo i miei grammi di austenite, i quali dal punto 2 al punto 3 si separa la fase α e quest’ultima va ad accrescersi nei bordi di grano, dove ho difetti. Nel punto 3 ho quindi due fasi e quindi due costituenti strutturali: austenite (grani costituiti dalla fase γ) e ferrite – α (grani costituiti dalla fase α).
• Acciai ipereutettoidici: 0,8 % < C < 2,06 % (al di sopra siamo nel campo delle ghise). 2,06 è la massima % di carbonio che riesce a solubilizzare γ. Quando incontra la linea del solvus l’austenite non riesce più a solubilizzare lo 1,2% di carbonio e questo si separa come seconda fase. Si separa come carburo di ferro, Fe₃C. Quindi dal punto 2 al punto 3 quello che succede è che una parte del carbonio si separa e si forma una seconda fase, la cementite. Questa si va a formare sui bordi di grano. Il disegno più basso sono i grani nel punto 3: quelle più scure sono linee che raffigurano bordi di grano, carburo di ferro. Nel punto 3 abbiamo perciò: γ, cementite e due costituenti strutturali (grani di fase γ: austenite; e placchette di cementite che si forma prima della formazione eutettoidica: cementite proeutettoidica/cementite secondaria).

Ghise

• Ghisa eutettica: C=4,3% composizione eutettica. Alla temperatura eutettica (1153°C) la fase liquida si trasforma in due fasi formata da delle lamelle alternate di fase γ e cementite: L → γ + Fe₃C. Si forma il solido eutettico, chiamato ledeburite. Man mano che diminuisce la temperatura l’unica cosa che succede è che la solubilità del carbonio della fase γ diminuisce. Dalle lamelle di fase γ nella ledeburite si separa dal carbonio sotto forma di cementite. La fase γ non ha più 2,06% ma contiene 0,8% nel punto sotto alla temperatura eutettica abbiamo lamelle alternate di γ e cementite, la quantità di carbonio della fase γ corrisponde allo 0,8%.
• Alla temperatura di eutettoidica a 726°C le lamelle di γ si trasformano per ottenere α e Fe₃C (cementite). Alla fine, quindi abbiamo grani costituiti da lamelle alternate da α + cementite. Ma ho ottenuto questa microstruttura da un solido eutettico, la ledeburite. Il nuovo solido eutettoidico si chiama quindi ledeburite trasformata anche se viene da α e da cementite (come la perlite): abbiamo quindi 2 fasi e 1 costituente strutturale (ledeburite trasformata).
• Ghisa ipereutettica: C < 4,3%. Quando arrivo a toccare la curva GF la fase liquida si separa dalla fase γ fino a poco sopra della trasformazione eutettica in cui ho la fase liquida e grani di austenite. (2 fasi: L + γ; 2 costituenti strutturali: L + austenite). Poco sopra 1153°C: austenite ha la composizione del 2,06% di C mentre la fase L ne ha 4,3% che è la quantità della composizione eutettica. Al di sotto di questa temperatura avviene quindi la trasformazione eutettica: γ + cementite grani di ledeburite: 2 fasi (γ + cementite) e 2 costituenti strutturali (austenite + ledeburite). A 723°C dal momento che la solubilità di C diminuisce la quantità di carbonio nella fase γ nel punto in alto è 2,06%, mentre ora è 0,8% dall’austenite si separa cementite secondaria (che si va a mettere sui bordi di grano): una parte del C si separa e va a crescere le lamelle di cementite del solido eutettico.