Tecnologia meccanica e dei materiali - Materiali

Umbrello - lezione integrativa sulle generazioni degli acciai e loro designazione

Evoluzione degli acciai

Dagli anni '70 gli acciai si sono dovuti evolvere per far fronte alle richieste di mercato, continuando a essere quel connubio di costo, resistenza e durezza che consente loro di non essere i migliori in senso assoluto, ma di essere il miglior mix di qualità. Questo ha permesso agli acciai di contrastare i materiali polimerici e di nuova generazione, continuando a surclassare le leghe di zinco e nichel a causa del loro costo.

Leghe ferrose

Gli acciai fanno parte delle leghe ferrose, che sono i metalli prodotti in quantità maggiore sul mercato, grazie a processi economici e all'abbondanza di ferro e componenti ferrosi sulla crosta terrestre. Inoltre, sono molto versatili, potendo essere configurati in un ampio range di proprietà fisiche. Ricapitolando il diagramma ferro carbonio, fino al 2.14% di carbonio abbiamo gli acciai, fino al 4.5% abbiamo applicazioni ingegneristiche delle cosiddette ghise, che si dividono in ghise bianche e ghise grigie, a seconda che il silicio faccia precipitare il carbonio come cementite Fe₃C o come grafite. Esistono anche ghise intermedie, ossia sferoidali e conchigliate.

Designazione degli acciai

Le leghe metalliche non ferrose solitamente sono di nichel, rame, alluminio o magnesio. Le ferrose potrebbero contenere anche altro oltre al carbonio, ma nel diagramma sono specificate quelle al carbonio, suddivise in acciaio e ghise. Per quanto riguarda gli acciai, una suddivisione grossolana è in alto legati e basso legati, che si basa sia sulla percentuale di carbonio che su quella di altri elementi chimici in lega, che sono preponderanti negli alto legati. Una suddivisione più capillare avviene secondo una designazione, ossia una simbologia, che principalmente può riguardare due campi: le finalità di impiego e la composizione chimica. Alla simbologia di queste designazioni si aggiungono cifre e sigle relative agli altri elementi legati, proprietà tipologiche o i trattamenti termici subiti, che sono introdotti dalla lettera T.

Proprietà meccaniche e chimiche

Per quanto riguarda le proprietà meccaniche:

• Le diciture iniziano con Fe;
• Se dopo Fe ho direttamente un numero, quel numero indica il valore minimo della sigma di rottura;
• Seguono i trattamenti termici o le finalità di impiego;
• Direttamente dopo Fe ho una G (acciaio ottenuto per getti), o una E, che sta a indicare che il valore successivo in MPa è il valore minimo della Sy di snervamento;

Per quanto riguarda le proprietà chimiche, gli acciai in base alle loro proprietà chimiche si dividono in 3 categorie:

• Acciai non legati: solo Fe e C, o al più piccole percentuali di altri elementi, che sono le impurità non volute, che a volte fanno la differenza. In base alla percentuale di carbonio, la designazione prevede, dopo G se presente, la percentuale di carbonio moltiplicata per 100 e successivamente trattamenti termici e scopi funzionali, per esempio C40 TE avrà percentuale di carbonio dello 0.4%, trattato con normalizzazione;
• Acciai debolmente legati: si definiscono tali quando gli elementi in lega voluti non superano la percentuale del 5% ciascuno. In caso uno degli elementi in lega ecceda questa percentuale, si sfocia nel caso 3. La designazione precede la percentuale di carbonio 100x seguita, tutti in fila, dai simboli chimici degli elementi in lega e, nell'ordine in cui compaiono, le loro percentuali tutte attaccate, moltiplicate per dei coefficienti moltiplicativi tabellati. Se una percentuale non viene precisata, vuol dire che quell'elemento ha percentuale decisamente inferiore di quello più rappresentativo della lega;
• Acciai legati: hanno almeno un elemento in lega con percentuale superiore al 5% (ne basta uno). La designazione inizia con X, in caso G (getti) %C 100x, seguono gli elementi in lega e successivamente le percentuali reali degli stessi.

La designazione AISI, normativa americana in voga anche in Europa, è nella forma 10 XX, dove 10 è il numero che indica il carbonio (acciaio non legato) e XX sempre % C 100 x. Al posto del 10, possono esserci vari numeri che indicano l'elemento in lega più rappresentativo. Noi ci occuperemo degli acciai inossidabili (da 23 a 41 XX) e degli acciai per cuscinetti (52 XX). I tedeschi, invece, usano numeri decimali e si basano principalmente sugli impieghi. Queste designazioni sono tutte confrontabili in tabelle dei produttori di acciai!

Caratteristiche richieste agli acciai

Da notare che le prime due coppie hanno elementi discordanti! La saldabilità è legata alla percentuale del carbonio equivalente, che vedremo a fine corso, in generale è correlata alla formazione o meno delle cricche di tempra sul cordone di saldatura. Le altre caratteristiche vengono condensate negli impieghi degli acciai, che sono quelli di prima generazione. Analizziamoli tutti:

• Per fare cementazione devo partire da un acciaio solo al carbonio, perché si tratta di arricchire di carbonio un acciaio, e poi raffreddarlo. Dunque non ha senso impiegarne uno legato che magari è più costoso. Non mi serve neanche chissà quale tenore di carbonio (max 0.2%) perché lo voglio duro solo in superficie e tenace al cuore. A volte si possono cementare acciai debolmente legati per facilitare i trattamenti termici superficiali, al fine di traslare le curve di Bain verso destra. La mia scelta cadrà su un C10 C15 o massimo C20, per seguire la cementazione su pezzi di piccole dimensioni. Per i pezzi a dimensione maggiore, invece, metto elementi chimici in lega, come il molibdeno, che mi consentano di effettuare la tempra (soprattutto in olio) dopo una certa esposizione non troppo lunga all'atmosfera carburante, che magari avrebbe causato una penetrazione eccessiva del carbonio nel reticolo, con un eccesso di martensite;
• Per fare nitrurazione servono acciai tra 0,29 e 0,43% di carbonio. Un C30 non potrò mai usarlo perché sappiamo che per fare nitrurazione servono altri elementi in lega al fine di generare la reazione di nitrurazione con l'azoto;
• La bonifica, come ci ricorderemo, è tempra seguita da rinvenimento tra 550 e 650 gradi centigradi, con acciaio sorbitico in uscita. Devo dunque partire con un acciaio con un certo tenore di carbonio, tra 0.22 e 0.65, sia legato che non legato;
• Come per molti altri organi di macchine, richiedono molto carbonio, circa l'1%, e sempre degli elementi in lega come cromo e molibdeno. Ciò consente dopo la tempra di ottenere elevata tenacità, resistenza all'usura e limite a fatica, mitigando comunque le tensioni residue. Uno dei più diffusi è il 100Cr6;
• Il C varia tra 0,42 e 0,64%, nelle molle riveste importanza fondamentale il silicio Si, il quale aumenta il modulo di Young;
• Ci stiamo riferendo a utensili come macchine utensili, e non come stampi. Questi strumenti di lavorazione devono essere molto duri, duttili, e resistere all'usura e a shock termici. Ma queste due coppie hanno elementi in contrasto tra loro (durezza vs duttilità). Un tempo si classificavano in base alla velocità del taglio nella tornitura, ma questa classificazione è ormai obsoleta perché oggi la tornitura è svolta con materiali diamantati. Questi acciai hanno una caratteristica chiamata durezza secondaria, conferita loro per mezzo di precipitazione di elementi come il cobalto;
• Sono delle leghe Fe C che offrono ottima resistenza alla corrosione. Se hanno cromo e nichel sono detti austenitici (delle pentole da cucina) e sono di Serie 3, con percentuale bassa di carbonio. La Serie 2 Inox sono gli acciai al nichel manganese e azoto, e poi vi è la Serie 4 Ferritici, con solo cromo oltre al carbonio e al ferro. In generale, questi acciai sono scelti in base agli ambienti corrosivi. I migliori in assoluto sono gli acciai inossidabili duplex, usati in aeronautica, sono misti austenitici e ferritici (tra serie 3 e 4), grazie al bilanciamento del tenore.