Caratteristiche generali dei principali acciai, ghise e leghe di alluminio

ACCIAI PER CUSCINETTI

Sono una categoria di acciai a cavallo tra gli acciai per utensili e quelli basso legati  lavorano ad

usura.

I cuscinetti a rotolamento sono costituiti, al loro interno, da sferette o cilindretti rigorosamente in

acciaio per cuscinetti, ma in genere anche gli anelli sono costituiti da questo acciaio.

Ce ne sono di 14 tipi, il carbonio si mantiene sempre sotto dell’1,20% mentre il manganese sotto

all’1%. Sono presenti in genere elementi in lega come cromo, nichel, silicio e molibdeno.

Il 100Cr6 è sicuramente il più diffuso in quanto meno costoso, si esegue l’austenitizzazione a 830-

860 gradi, ma non ottengo solo austenite (anche carburi primari sopra Ac3). I trattamenti

successivi sono la ricottura (di lavorazione), la tempra, il rinvenimento. Quando avviene il

raffreddamento, troviamo un po’ di austenite residua.

La loro composizione è prossima a quella degli acciai per utensili. La loro composizione deve

avvenire entro limiti stretti, in assenza di elementi non desiderati  sono, per questo, acciai di

altissima qualità, molto costosi (vengono venduti al pezzo).

Sono acciai temprabili (il raffreddamento può avvenire il olio), elevata resistenza allo snervamento,

durezza, resistenza all’usura, resistenza alla fatica (alle sollecitazioni cicliche si trazione e

compressione). ACCIAI PER FUNI

La fune è costituita da un cavo centrale intorno al quale ne sono arrotolati degli altri: l’ordine è

sempre dispari perché consente avvitamenti orari ed antiorari in pari numero (ordine 3 = cavo

centrale + 1 avvitamento orario + 1 avvitamento antiorario, ordine 5 = cavo centrale + 2

avvitamenti orari + 2 avvitamenti antiorari).

Se i cavi attorno a quello centrale generano delle zone vuote, a causa delle intemperie dell’acqua

può confluire al loro interno, quindi ghiacciare e sollecitare ulteriormente la fune, oltre ai carichi per

i quali è stata progettata: ne risente, dunque, la rigidità di tutta la fune. Le funi devono essere

progettate, dunque, nella maniera più compatta possibile.

Le funi sono composte da laminati trafilati a freddo (trafilatura:= processo che induce un

cambiamento nella forma del materiale grezzo di partenza attraverso la deformazione plastica

dovuta all’azione di forza impresse da attrezzature). Dopo la trafilatura Rmax= 1700 MPa.

Per quanto riguarda la composizione chimica, l’acciaio è eutettoidico  C 0,2-0,9 % (dovrebbe

essere C77 ma va bene anche in questo range). Ho a che fare con una struttura di sola perlite, la

migliore per la sollecitazione del cavo.

Trattamenti:

- Patentamento (tipo di bonifica esclusivamente per questi acciai): ottengo perlite fine, senza

tracce di bainite. La resistenza della molla è inversamente proporzionale alla distanza delle

lamelle ferrite-perlite quando l’acciaio non è ancora rinvenuto.

- Rafforzo l’acciaio (lo indurisco) attraverso zincatura (filo per filo), cromatura o piombatura

(immergo tutta la fune in un bagno di piombo). Questi trattamenti lubrificano il cavo e ne

aumentano la resistenza alla corrosione.

- Non eseguirò mai la cementazione, c’è troppo carbonio in questi acciai.

La temperatura di massimo utilizzo dei cavi Tmax= 200 gradi, a meno che non si parli di acciai per

funi utilizzate per il taglio delle pietre o del marmo.

ACCIAI PER MOLLE

Le molle (elicoidali o a balestra) possono essere giudicate adatte o inadatte per un determinato

compito a seconda del valore della costante K. Il costruttore della molla deve far in modo di

minimizzare il tratto plasto-eslatico a favore di quello elastico: la molla ha senso solo nel tratto

elastico, al di fuori di questo range essa non può più svolgere il suo compito  (sigma

snervamento)/(sigma rottura) deve essere circa 1, ma anche 0.9 va bene  superato il tratto

elastico la molla non deve snervarsi, ma rompersi.

La forza elastica corrisponde a F=-kx, dove k è la costante elastica della molla. La k determina la

pendenza del grafico del comportamento di una molla, che è una retta nel piano sigma-x (sigma è

la pressione = F/A, dove A è l’area della proiezione della molla, non piena, mentre x è

l’allungamento della molla).

Fissato un determinato allungamento, se una molla possiede k maggiore subirà quell’allungamento

quando è sottoposta ad un carico elevato (perché k maggiore determina una maggiore inclinazione

della retta), mentre per un k minore la molla si allungherà di quel valore se sottoposta ad un carico

basso.

Fissata una certa pressione, una molla con k maggiore si allungherà poco per quel valore di

pressione, mentre una molla con k minore si allungherà di più.

In entrambi i casi, la molla con k maggiore svolgerà un ruolo di ammortizzatore in quanto ha il

compito di smorzare le pressioni (fissato l’allungamento, ha una maggiore resilienza rispetto

all’altra, essendo essa l’area sottesa alla curva e determina la capacità della molla nell’assorbire

energia). La molla con k minore, d’altra parte, svolgerà un ruolo di accumulo energetico, nella

conversione dell’energia potenziale immagazzinata: fissato lo sforzo, infatti, essa si allunga di più e

determina un maggior accumulo di energia potenziale rispetto all’altra, U=0.5kx^2).

L’elemento di riferimento degli acciai per molle è il silicio, incrementa di molto la resistenza a

snervamento (anche una piccola percentuale come 1,75 %).

Gli acciai per molle semplici vanno da C50 a C100 (abbiamo acciai eutettoidici), nelle

caratteristiche è presente solo la resistenza a snervamento, perché costituisci il limite elastico.

Sono presenti, dunque, C, Si e tracce di Mn, inevitabili.

Per quanto riguarda gli acciai per molle bonificate, invece, possono essere presenti anche altri

elementi in lega come Cr, V e Mo (il cromo anche in quantità significative). La temperatura di

rinvenimento rientra sempre nella seconda fascia, a parte per gli acciai legati con elementi

all’infuori del silicio (come il cromo).

Infine, le molle sono solitamente sottoposte a pallinatura: il pezzo viene messo in rotazione e

vengono sparate delle sferette ai acciaio, vetro, ghisa o ceramica  instaura nella molla uno stato di

compressione e le permette di sopportare meglio gli urti (è un processo fondamentale poiché le

oscillazioni vengono viste come urti nel tempo).

ACCIAI PER UTENSILI (di altissima qualità, molto costosi!)

Requisiti dell’acciaio: durezza a caldo e a freddo (con l’uso la temperatura aumenta localmente),

elevata capacità di taglio mantenuta nel tempo, resistenza all’usura, agli urti e a carichi elevati 

non è pensabile che un solo tipo di acciai possieda tutte queste proprietà, esistono varie classi di

acciai per ogni funzione.

Gli elementi caratterizzanti sono: Ti, V, W, Mo, Cr, Mn, Fe, Co. È un ordine ben preciso in quanto

tali elementi sono posti in ordine decrescente di affinità col carbonio, ogni elemento deve

consumarsi totalmente per permettere la formazione di carburi con leghe meno affini (per ogni

elemento c’è la possibilità di formare anche carburi diversi, fino a 3). Vi è, dunque, una notevole

rigidità sulla composizione degli acciai per utensili  effettuo un errore di calibrazione se introduco

del vanadio, ma tutto il carbonio ha formato carburi con il titanio.

So già a priori, quindi, quali carburi si formeranno visto che conosco gli elementi in lega presenti

nell’acciaio (è molto raro, ad esempio, che il cobalto formi dei carburi) e, visto che gli elementi in

lega sono numerosi, si tratta di acciai molto complessi ma con elevatissime prestazioni

meccaniche.

La durezza dell’acciaio per utensili è conferita proprio dalla presenza dei carburi  indicato con M il

metallo che forma il carburo, i carburi del tipo MC sono quelli che rafforzano maggiormente

l’acciaio, ma posso anche accontentarmi di un M2C (minor durezza, ma un po’ più duttile).

ACCIAI RAPIDI (HS, high speed)  caratterizzati dalla presenza di W

Elevate velocità di taglio, devono la loro resistenza meccanica al rinvenimento. Possono essere

distinti un base ad un parametro: quanti metri taglia al minuto (su di un acciaio che ha resistenza a

snervamento di 500 MPa)?

- SUPER RAPIDI  vel max = 40m/min. W>12% e Co.

- RAPIDI  vel max = 30m/min. W e Mo.

- SEMI-RAPIDI  vel max = 15m/min W 6-10%.

ACCIAI PER LAVORAZIONI A CALDO

Resistenza meccanica dovuta al rinvenimento.

- Al Cr-Mo e al Cr-Ni  elevata resistenza termica (escursioni termiche ben sopportate),

impiegati per stampi complessi, non solo per il taglio.

- Al W  sopporta grandi escursioni termiche, fino a 600 gradi.

ACCIAI PER LAVORAZIONI A FREDDO

- Al Mn-V  viene bonificato alla quarta fascia di temperatura per promuovere la precipitazione

di carburi primari.

Tutti gli acciai per utensili vengono indicati con la X davanti, ci sono sempre W, Cr, Mo, Co.

Nelle curve CCT degli acciai per utensili è presente una curva tratteggiata K che identifica i carburi

ed è la più importante: durante la tempra, il raffreddamento deve sempre avvenire sempre a

sinistra della curva K.

Se raffreddo in modo veloce (in acqua) i carburi si inglobano nella martensite altrimenti, con

raffreddamenti lenti, ottengo una martensite con carburi residui  DEVO EVITARLO! Perderei la

possibilità di far legare i carburi come voglio durante il rinvenimento (al Ti, V, ecc…), i carburi

devono trovarsi nella matrice della martensite dopo la tempra, non sotto forma di carburi a parte.

Durezza primaria: da austenite in martensite

Durezza secondaria: precipitazione di carburi primari, interseco la curva K,

Le temperatura di rinvenimento sono differenti a seconda dell’acciaio per utensili che sto trattando,

ma sempre sotto Ac1  ACCIAI PER LAVORAZIONI A FREDDO: 150-200 gradi per 2 ore, solo

durezza primaria. ACCIAI PER LAVORAZIONI A CALDO: 450-600 gradi, durezza primaria +

precipitazione di carburi secondari. ACCIAI RAPIDI: doppio rinvenimento a 450-600 gradi per 1

ora, durezza primaria + precipitazione di carburi secondari.

Se si possono formare più carburi eseguo tanti trattamenti di rinvenimento quanti sono i carburi

che possono generarsi, in ognuno dei quali si rispetta la temperatura di picco nel rinvenimento

(propria di ogni carburo), che conferisce maggior resistenza a quel particolare carburo.

Nell’eseguire questi trattamenti in sequenza è necessario operare i rinvenimenti in ordine di

temperature di picco decrescenti: ad esempio, se posso formare carburi di Ti e di W eseguo due

rinvenimenti, il primo a 600 gradi (picco del Ti) ed il secondo a 580 gradi (picco del W)  in questo

modo si formano carburi stabili ed al meglio della loro durezza, se facessi il contrario inde