Caratteristiche generali dei principali acciai, ghise e leghe di alluminio

Acciai da bonifica

Appartengono al secondo gruppo di acciai, quelli non legati o basso legati. Sono acciai che vengono posti in esercizio solo dopo la bonifica: solo grazie a questo trattamento termico si ottengono determinate proprietà meccaniche e, per questo, vengono venduti già bonificati. Sono molto numerosi e per questo vengono suddivisi in 3 sottoclassi: C, Cr-Mo, Cr-Ni-Mo. Ci saranno sempre tracce di Mn proveniente dall’altoforno.

Classificazione degli acciai da bonifica

• C → vanno da C25 a C40, snervamento 400 – 600 MPa, rottura 600 – 900 MPa, sono molto duttili (tra gli acciai da bonifica lo sono più degli altri), tenacità 45 – 25 J, sono tra i più diffusi per il basso costo (chiusure sportelli, catenacci spessi).
• Cr-Mo → aggiungo due elementi in lega. Mo serve per stabilizzare la martensite, alza la Tfinish della martensite (risulta una minore quantità di austenite residua, che destabilizza) ed è importante per la prima fase della bonifica (tempra). Cr è molto importante per la fase di rinvenimento, si formano carburi di cromo. Le prestazioni meccaniche sono superiori a quelle degli acciai al solo carbonio: snervamento 600-900 MPa, rottura 900-1200 MPa.
• Cr-Ni-Mo → costituiscono il limite meccanico per gli acciai da bonifica, aggiungo anche il nichel. Ni è fondamentale nella tempra: innalza la Tfinish della martensite fino a 150 gradi, potrei anche non avere austenite residua. Sono molto duttili, anche se meno dei primi due casi, ma vedono un aumento consistente delle prestazioni meccaniche a snervamento (900-1050 MPa) e a rottura (1200-1350 MPa).

Il 36NiCrMo16 (del terzo sottogruppo) è il miglior acciaio da bonifica e l’unico caso in cui il nichel è preponderante sul cromo. Per utilizzarlo al meglio, prima di usarlo omogenizzo la struttura con dei trattamenti altrimenti posso trovare un po’ di austenite residua. Eseguendo la normalizzazione, per raffreddamenti lenti (fino a 120 min) ottengo ancora solo martensite: è quasi un acciaio autotemprante, il raffreddamento può avvenire in aria.

Acciai da cementazione

(Hardened: acciaio normale cementato in superficie) C<0.25% (il C25 è il limite massimo per un acciaio da cementazione), Mn≥0.70%, Si≤0.35%. Posso comunque cementare un C40, ma otterrei un 70/75% delle prestazioni di un C20 (esempio).

È presente anche del nichel, ma in basse quantità → il 16NiCrMo 12 è l’unico caso in cui il nichel è abbondante: è il miglior acciaio da cementazione, essendo già un buon acciaio in sé, quando lo cimento diventa ottimo, naturalmente è quello che ha maggior costo (è questo che differenzia le ruote dentate di alta o bassa qualità, l'acciaio di partenza → la presenza di consistenti quantità di nichel permette di spostare le curve CCT a destra, in questo modo posso temprare in olio (mezzo poco drastico) e posso realizzare pezzi molto grandi, come turbine a vapore. In genere, dopo la cementazione bonifico il mio acciaio.

Processi di cementazione

La cementazione è un trattamento superficiale per acciai che devono essere sottoposti a cicli di fatica e ad usura. Non si tratta di un rivestimento, ma di una vera e propria modifica strutturale, la cementazione non è collegata al comportamento anti-corrosivo. È un trattamento che si realizza per conferire all’acciaio una durezza maggiore in superficie (paragonabile a quella degli acciai per utensili) e, visto che per molti componenti meccanici la durezza dell’acciaio è fondamentale solo a livello superficiale, è più economico cementare un acciaio piuttosto che utilizzarne uno avente interamente le stesse proprietà di durezza.

La cementazione avviene attraverso la diffusione, attivata dalle alte temperature, di C nell’acciaio, che poi si legherà al ferro: per questo motivo, gli acciai da cementazione devono avere un basso tenore di carbonio, altrimenti quest’ultimo non diffonde durante il trattamento. A seconda dell’elemento che permette la diffusione di C nell’acciaio, si hanno 3 differenti processi di cementazione:

• Elemento in forma solida.
• Elemento in forma liquida.
• Elemento in forma gassosa.

Caso solido

Si adopera una cassa alla temperatura di circa 900 gradi, contenente BaCO₃ (carbonato di bario) e della legna. In queste condizioni, il nostro acciaio è costituito nella totalità da austenite: basti pensare che la temperatura massima di Ac₃ è di 912 gradi per il ferro puro. Avviene, dunque, la reazione: BaCo₃ → BaO + CO₂. Questa reazione serve a fornire CO₂ man mano che la stessa si consuma. La CO₂, quindi, reagisce con il C proveniente dalla legna (il carbonio è più affine alla CO₂ piuttosto che al Fe): C + CO₂ → 2CO.

È proprio l’ossido di carbonio che, in queste condizioni, costituisce l’agente cementante diretto. Al contatto del CO con la zona superficiale, l’equilibrio si sposta a sinistra e avviene la reazione 2CO → C + CO₂: il carbonio formatosi diffonde in modo interstiziale nella fase austenitica ed, in questo modo, permette la formazione della cementite Fe₃C. Una chiave molto importante del processo è la generazione continua di BaCO₃, la chiave per far diffondere il carbonio nell’austenite non viene persa di volta in volta.

Raffreddamento dell'acciaio dopo cementazione

1. Opero una tempra, essendo già a 900 gradi, e un successivo rinvenimento: qui non arrivo mai alla seconda fascia di rinvenimento → al massimo tocco i 250 gradi, ma in genere mantengo la temperatura a 200 gradi per 1-2 ore.
2. Quando ho alto tenore di carbonio all’inizio posso operare una doppia tempra: la prima volta sono già a 900 gradi, mentre la seconda volta riscaldo a 50/70 gradi sopra Ac₃. Il prodotto finale sarà tutta martensite rinvenuta → in questo modo miglioro anche il cuore del nostro acciaio, ma è un processo più costoso.

Lo spessore massimo cementato sarà di 2 mm, mentre la velocità di diffusione del processo (velocità con cui l’acciaio si cementa) è di 0.15/0.25 mm/h → meno carbonio c’è, più cemento in modo veloce.

Caso liquido, carbonitrurazione (2 sottocasi)

Utilizzo sempre una cassa a 900 gradi, contenente KCNO o NaCNO (cianati)…in realtà all’inizio ho dei cianuri, che tende ad ossidarsi in superficie per dare cianato secondo la reazione: 2NaCN + O₂ → 2NaCNO. Il cianato tende a decomporsi alla superficie: 8NaCNO → 4 NaCN + 2 Na₂Co₃ + 2 CO + 4 N e successivamente 2CO → CO₂ + C. Il processo si definisce carbonitrurazione perché oltre al carbonio diffonde anche azoto, che contribuisce ad indurire la parte superficiale dell’acciaio.

È un processo poco usato perché vengono utilizzate sostanze tossiche e i cianati sono cancerogeni (possono provocare tumore alla pelle): occorrono, dunque, dispositivi di sicurezza costantemente controllati. La velocità di diffusione è 1 mm/h.

Caso gassoso

È un processo attuato attraverso idrocarburi e gas vari: il più frequente è la CO₂, che viene usato in maniera diretta per la cementazione. Ci sono comunque piccoli rischi. La velocità di diffusione è 0.33 mm/h, con un tempo massimo di 6h. In conclusione, i metodi più utilizzati sono quello solido e quello gassoso: quest’ultimo ha dei costi maggiori in quanto occorre meno tempo rispetto all’utilizzo del BaCO₃. In tutti e tre i casi, la durezza risultante sarà di 750/800 HV.

Metodi per controllare la corretta cementazione

• Si opera una sezione nel pezzo, se a 2mm di profondità ho un valore di durezza uguale o superiore a 550HV l’ho eseguita in maniera corretta, altrimenti no.
• Riscaldo l’acciaio a 300 gradi, la parte cementata assume un colorito blu e posso verificare fin dove arriva.

Acciai da nitrurazione

Per la nitrurazione, si utilizza ammoniaca (NH₃), che è liquida a pressione atmosferica. Per capire a quali temperature eseguire la nitrurazione occorre consultare il diagramma Fe-N sopra riportato. A N=2,35% si trova l’eutettoidico, mentre a N=6% c’è l’intermetallico (in corrispondenza di tale percentuale l’acciaio permette una sola fase, gamma) Epsilon: Fe_2.3N, Gamma’: Fe₄N (conosciuta come Coltre Bianca). Sono entrambi molto fragili, anche se gamma’ lo è di più. Per questo motivo occorre evitarli → non deve esserci tanto azoto, vogliamo l’acciaio poco eutettico.

La nitrurazione conferisce al pezzo una maggiore durezza rispetto alla cementazione, raggiunge infatti i 1200-1300 HV (inizia la deformazione più tardi), ma rende tale pezzo più fragile rispetto alla cementazione (superato il limite di deformazione, il pezzo si rompe prima). La nitrurazione deve avvenire ad una temperatura al di sotto dei 580 gradi, è la temperatura limite. La reazione che la regola è la seguente: 2NH₃ + 8Fe → 2Fe₄N + 3H₂ (ottengo idrogeno molecolare). Lo spessore nitrurato massimo raggiungibile è 2/10 mm (oltre si forma troppa coltre bianca), il tempo massimo di processo si aggira intorno alle 50 ore. A causa dello spessore minimo possibile, la nitrurazione si opera su piccoli oggetti (piccole ruote dentate, che non subiscono grandi urti).

Nitrurazione morbida

Esiste, poi, una modalità di nitrurazione chiamata nitrurazione morbida: riscaldo a 525 gradi, raggiungo gli 800 HV e dura al massimo 3 ore. Perché la posso preferire alla cementazione se ottengo una maggiore fragilità del pezzo? – le temperature sono più basse. NH₃ è poco costoso. Ottengo valori di tenacità molto buoni. In generale la nitrurazione costa il 50% in più della cementazione. L’unico modo per controllare lo spessore nitrurato è operare una sezione del pezzo e tracciare il profilo di durezza. Gli impianti di nitrurazione sono molto più complessi di quelli per la cementazione in quanto devono inglobare anche quelli operanti la sintesi dell’ammoniaca.

Acciai da nitrurazione

L’alluminio è indubbiamente il materiale che rende migliori le caratteristiche della nitrurazione, conferisce allo strato superficiale una durezza ancora maggiore di quella dovuta al ferro e all’azoto. Grazie all’alluminio raggiungo il top delle durezza (1200 HV) e basta aggiungerne molto poco, anche l’1%. Gli acciai da nitrurazione sono già bonificati. Essi sono quelli Cr-Mo e quelli Cr-Mo-V, sono basso legati. Il Molibdeno migliora la martensite rinvenuta, il Cromo è affine alla nitrurazione: è molto affine all’azoto, il solo ferro non ne permette la diffusione.

Acciai generali da costruzione

Acciai saldabili

Acciai HSLA (alta resistenza e basso legati)

C 0.10-0.45%, mn 1.65% max, si 0.60% max, cu 0.60% max, mo 1.0% max, possono essere aggiunti del vanadio (+0.5% max) e tracce di niobio e titanio.

Trattamenti termici di riferimento

• Normalizzazione: si riscalda il materiale ad una temperatura di poco superiore a quella di austenizzazione (Ac₃ +50/70 gradi) e poi si lascia raffreddare in aria, serve per affinare il grano cristallino ed uniformare la microstruttura. Si ottiene ferrite a grano fine + perlite.
• Bonifica: si porta l’acciaio a 900 gradi, lo si lascia raffreddare in acqua e si esegue, poi, il rinvenimento a 480-600 gradi. Si ottiene martensite o martensite + bainite.

Acciai Cor-Ten

Basso costo, buone prestazioni, resistenti alla corrosione. Gli acciai sono molto reattivi con l’ossigeno → si forma ossido di ferro (Fe₂O₃), la ruggine, in maniera molto casuale con spessori variabili. Questo tipo di acciai possiedono una composizione chimica tale da uniformare il più possibile l’ossido di ferro, rendendo quasi passivante tale strato (non permette più scambi tra Fe ed O perché lo strato è ben omogeneizzato sulla superficie del metallo). Il carbonio è sempre al di sotto dello 0.20%, con tracce di manganese e di altri elementi.

Tipi di acciai Cor-Ten

• Cor-Ten A – presenta tracce di zolfo e di fosforo.
• Cor-Ten B – anche tracce di vanadio.
• Cor-Ten C – anche tracce di nichel, si oppone meglio alla corrosione rispetto ai tipi A e B.

Trattamenti termici di riferimento

• Normalizzazione solo per il Cor-Ten C, che conferisce una resistenza meccanica a rottura superiore agli altri due tipi di acciaio. Lo porto ad una temperatura superiore ad Ac₃ per 15 min, ottengo tutta austenite e poi lascio raffreddare in aria.

Si valuta la perdita di peso per misurare la resistenza alla corrosione → l’acciaio Cor-Ten dopo 4 anni riesce a mantenere stabile il suo peso, non perde mai più di 500 g/m². Progetto l’acciaio con uno spessore maggiore perché so già da prima che perderò del materiale col passare del tempo.

Acciai inossidabili

Alla fine dell’800 nasce l’esigenza di mettere a punto un nuovo tipo di acciai. Si parte da acciai al cromo (al 9% di cromo con un po’ di molibdeno, 2% al massimo), ora noti con la sigla P91. Erano le principali leghe per lo stoccaggio dell’olio di balena (mondo anglosassone, Norvegia, USA).