Parte B metallurgia

Parte B metallurgia

Domanda 1: illustrare le generalità di un acciaio autotemprante, specificando le caratteristiche essenziali della sua classe di appartenenza

Gli acciai autotempranti sono un tipo di acciai speciali, che hanno l’obiettivo di completare la trasformazione in martensite fino all’interno del pezzo, anche per pezzi di notevoli dimensioni. Infatti, questo tipo di acciai devono sottostare ad una soglia minima di tenore di C + Ni + Cr, ossia la somma dei tre tenori deve essere maggiore di 5, ma anche minore di 7. Questo per garantire che le curve CCT siano sufficientemente spostate a destra, così da poter essere temprate in aria.

Siccome le curve CCT sono molto spostate verso destra, l’unico modo per diminuire la durezza è la ricottura completa; infatti, questo è il primo trattamento a cui vengono sottoposti questo tipo di acciai. Dopo la sgrossatura, viene effettuata una tempra in aria, e successivamente un rinvenimento, che viene effettuato a 200°C. Ci sono due motivi per questa temperatura ridotta: in primo luogo, per via dell’omogeneità con cui avvengono le dilatazioni del reticolo da CFC a tetragonale distorto, non ci sono grandi tensioni interne, inoltre, siccome il Ni è presente in alte percentuali circa 4%, e sappiamo che il Ni forma una soluzione solida sostituzionale del ferro, ciò implica minori distorsioni reticolari. Il risultato pratico ottenuto da questo rinvenimento, fa sì che nonostante la bassa temperatura questi acciai presentano elevate tenacità paragonabili a un ottimo acciaio da bonifica, ed inoltre, data la bassa temperatura del rinvenimento mantengono elevate caratteristiche meccaniche, e ciò permette di ottenere un ideale binomio. Una volta finito questo processo, vengono effettuate ulteriori lavorazioni alle macchine utensili.

Domanda 2: illustrare le generalità di un acciaio da bonifica, specificando le caratteristiche essenziali della sua classe di appartenenza

Sono quegli acciai che permettono di raggiungere un materiale con resistenza elevata, mantenendo però elevata la tenacità grazie all’ausilio del processo consistente in una tempra seguita da un rinvenimento a 600 °C altrimenti detto bonifica. Si distinguono in:

• Acciai da bonifica al solo carbonio
• Acciai da bonifica debolmente legati.

Il loro carico di rottura varia tra 500 e 1300 MPa, ovviamente i valori più bassi si riferiscono agli acciai al solo carbonio, mentre valori maggiori competono agli acciai debolmente legati, perché la presenza di elementi di lega permette di:

• Aumentare la temprabilità e la generazione di martensite all’interno della sezione
• Formare numerosi carburi che ostacolano il moto delle dislocazioni, aumentando quindi le caratteristiche della martensite rinvenuta.

Il più importante elemento di lega di questi acciai è il Cr, perché permette di spostare verso destra le curve CCT, favorendo la temprabilità, e inoltre forma numerosi carburi in fase di rinvenimento. Un elemento importante è il Ni, perché aumenta la temprabilità e svolge un ruolo tenacizzante. Viene usato anche il Mo per aiutare con la fragilità di rinvenimento.

Ciclo tecnologico: rigenerazione normalizzazione + ricottura di lavorabilità, lavorazione di sgrossatura alle macchine utensili, bonifica tempra + rinvenimento a 600°C, lavorazione di rifinitura.

Domanda 3: illustrare le generalità di un acciaio da cementazione, specificando le caratteristiche essenziali della sua classe di appartenenza

Sono acciai che dal punto di vista ingegneristico hanno l’importante scopo di garantire in un pezzo elevata durezza nello strato superficiale, ma allo stesso tempo elevata tenacità al cuore. Vengono usati ad esempio per gli ingranaggi. Questo tipo di acciai sono caratterizzati da un bassissimo tenore di carbonio, minore di 0,2%. Essi sono destinati il trattamento termochimico della cementazione. La cementazione può essere di tre tipi, in base allo stato fisico del cementante, noi ci occupiamo di quelli eseguiti con cementante allo stato solido. Prima di tutto ci si pone nelle condizioni tale per cui sarà ottimizzato l’assorbimento del carbonio, ossia:

• L’acciaio con più basso tenore di carbonio ha una maggiore attitudine ad assorbire carbonio a parità di temperatura.
• Il carbonio si diffonde più facilmente a temperature più elevate per il fenomeno della dilatazione ed inoltre il reticolo cristallino maggiormente propenso all’assorbimento, è il CFC. Per tale motivo, ci si porta ad una temperatura di 900-920°C, cosicché si entra nella fase gamma. Non si va oltre tali temperature per evitare il fenomeno dell’ingrossamento del grano.

Fase di cementazione: l’arricchimento di carbonio viene effettuato tramite un’atmosfera carburante monossido di carbonio.

Fase pre-tempra: la temperatura in forno viene abbassata a valori di 860°C, la diffusione di carbonio viene interrotta. Alla fine di questa fase la temperatura della fase cementata e del cuore sarà tale per cui la superficie sarà austenitica e pronta per la tempra, mentre il cuore sarà austenitico con piccole parti di ferrite.

Fase di tempra: viene effettuata la fase di tempra in olio.

Rinvenimento: a bassa temperatura anche detto di distensione, il pezzo viene rimesso in forno per eliminare tensioni rimaste dalla tempra.

Possono esserci acciai al solo carbonio o debolmente legata. Si segnala la presenza del Mo per il fenomeno della fragilità da rinvenimento.

Ciclo tecnologico: Rigenerazione normalizzazione + ricottura di lavorabilità, lavorazione con macchine utensili di sgrossatura, cementazione a 920°C + tempra a 860°C, distensione a 150°C, lavorazione con macchine utensili di finitura.

Domanda 4: illustrare le generalità di un acciaio da nitrurazione, specificando le caratteristiche essenziali della sua classe di appartenenza

Gli acciai da nitrurazione per scopi sono molto simili a quelli da cementazione, ossia ci si propone di avere un risultato finale che esalta le caratteristiche di durezza in superficie mentre al cuore si esalta la tenacità.

Ciò che invece cambia rispetto agli acciai da cementazione è il modo con cui questo risultato viene conseguito; infatti, l’atmosfera in cui si immerge il pezzo, sarà un’atmosfera nitrurante ammoniaca in fase gassosa. È importante evidenziare che a differenza degli acciai da cementazione la temperatura a cui avviene il processo, è molto più bassa 500-550°C. Per contro, i tempi di esecuzione della nitrurazione sono molto più lunghi. Un’ultima cosa è che i pezzi che si ottengono con questo processo non superano i 2 mm, per via dei tempi molto lunghi. L’indurimento superficiale viene a crearsi per via della formazione di nitruri che possono essere di vari tipi. Se ci sono degli elementi di lega molto affini per esempio Al con l’azoto si riesce a raggiungere una durezza pari a 1200 HV. Data la temperatura a cui si esegue il processo, è fondamentale la presenza del Mo per evitare la malattia di Krupp. Non si esegue il trattamento a temperature più elevate perché si incapperebbe nella formazione di Braunite, che è un costituente molto fragile. D’altra parte, tramite la temperatura bassa, si mantengono le caratteristiche meccaniche dell’acciaio. Negli acciai da nitrurazione non deve essere presente il Ni perché favorisce l’abbassamento della temperatura eutettoidica.

Si evidenzia inoltre che la nitrurazione è un trattamento chimico al di sotto dei punti critici. Ciò permette di mantenere inalterata la microstruttura, per contro potrebbe verificarsi un aumento del volume che però non comporta deformazioni perché omogeneo.

Ciclo tecnologico: rigenerazione normalizzazione + ricottura di lavorabilità, lavorazione con macchine utensili di sgrossatura, bonifica tempra + rinvenimento a 600°C, lavorazione con macchine utensili di finitura, nitrurazione a 550°C.

Domanda 5: illustrare le generalità di un acciaio per molle, specificando le caratteristiche essenziali della sua classe di appartenenza

La principale caratteristica di questi acciai è l’elevato carico a snervamento, che permette di ottimizzarne l’impiego. L’innalzamento del limite di snervamento viene perseguito negli acciai principalmente in due modi:

• Aumentando la percentuale di carbonio, infatti, in un acciaio per molle si ha una percentuale di carbonio che va da 0,55 a 1%, a maggiori percentuali corrisponde maggiore resistenza ma minore tenacità.
• Aggiunta di silicio fino a 2,5%. A differenza del carbonio, l’aggiunta di silicio non comporta una diminuzione di tenacità.

L’aggiunta di elementi di lega favorisce l’innalzamento della temprabilità, importante in quanto questi acciai vengono temprati ad una temperatura di 450°C. Si distinguono in:

• Al solo C
• Debolmente legati al Si o Si più altri elementi
• Debolmente legati al Cr o Cr-Mo-V

Ciclo tecnologico: rigenerazione normalizzazione + ricottura di lavorabilità, lavorazione alle macchine utensili di sgrossatura, bonifica tempra + rinvenimento a 450°C, lavorazione con macchine utensili di finitura, pallinatura.

La pallinatura serve a diminuire la rugosità superficiale.

Domanda 6: descrivere le generalità dei materiali ceramici, caratteristiche meccaniche e fisiche e principali applicazioni. Spiegare le sostanziali differenze che esistono tra un reticolo cristallino di un materiale ceramico e un reticolo cristallino dei materiali metallici

I materiali ceramici sono costituiti da almeno due elementi e presentano una struttura cristallina più complessa di quella dei metalli. Il legame atomico, infatti, può variare da puramente ionico a totalmente covalente, o a combinazioni dei due.

Di solito essi sono formati dalla combinazione di un composto metallico e di uno non metallico. Le caratteristiche di base dei materiali ceramici sono: bassa conducibilità termica ed elettrica, elevata temperatura di fusione infatti vengono usati per i refrattari dei forni, elevata resistenza al calore, elevata resistenza alla corrosione, elevata rigidezza modulo di Young, basso coefficiente di dilatazione termica lineare ed elevata fragilità. Tutte queste caratteristiche dipendono dalle proprietà strutturali dei materiali ceramici.

Per quanto concerne la struttura cri