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Metallurgia - Seconda Parte Appunti scolastici Premium

Cenni ai reticoli cristallini metallici, metalli policristallini. Difetti di punto: vacanze reticolari, atomi interstiziali e sostituzionali, formazione di soluzioni solide. Difetti di linea: dislocazioni, interazioni tra disolcazioni, campi di tensione e formazione di sottostrutture. Difetti di superficie: bordi di grano, leggi di crescita del grano cristallino. Diffusione nei metalli: leggi di Fick,... Vedi di più

Esame di Metallurgia docente Prof. M. Vedani

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ESTRATTO DOCUMENTO

Da un punto di vista microscopico, il processo di solidificazione del metallo saldato prende origine dalla linea di

fusione e possiede le seguenti caratteristiche (figura correlata):

• crescita epitassiale: gli atomi del liquido (d) si depositano sull’interfaccia

in modo da estendere la struttura del solido (c), conservando la preesi-

stente orientazione cristallografica dei grani nella ZTA (b ed a). Si ha

quindi nucleazione eterogenea che mantiene i bordi grano;

• meccanismo competitivo tra i grani in crescita, quelli con orientazione

più favorevole (gradiente termico e orientazione cristallografica) crescono

più velocemente eliminando gli altri.

STRUTTURE DI SOLIDIFICAZIONE DEL METALLO SALDATO

In funzione dell’entità del sottoraffreddamento si può suddividere la solidificazione in quattro tipologie di crescita:

• crescita planare (A): il profilo della tempe-

ratura è molto elevato e si trova sempre

sopra la curva di liquidus, ciò accade nel

caso in cui il materiale dissipi molto il ca-

lore. Non essendoci mai una condizione di

sottoraffreddamento la crescita sarà di tipo

planare (fronte stabile);

• crescita cellulare (B): per una breve di-

stanza dall’interfaccia solido liquido (x) si

ha sottoraffreddamento di bassa entità, ciò

è comunque sufficiente per destabilizzare il

fronte e portare la formazione di subgrani

con orientazione del grano di partenza;

• crescita cellulare-dendritica (C): l’entità del

sottoraffreddamento si fa più marcata, por-

tando alla formazione di subgrani come nel

caso precedente ma con forma dendritica.

Le dimensioni di questi (x) sono dell’ordine

di grandezza di quelle di un grano;

• crescita dendritica-colonnare (D): è la ti-

pologia di crescita analizzata nella lezione

precedente relativamente alla solidifica-

zione di leghe e metalli, a causa di un elevato grado di sottoraffreddamento il gradiente termico porta la nuclea-

zione e l’avanzamento di una protuberanza dalla superficie che per le medesime ragioni ramifica lateralmente

nelle tre dimensioni.

Nei processi molto rapidi, caratterizzati da raffreddamenti drastici, si ha la nucleazione di nuovi cristalli non solo

eterogeneamente partendo dalla superficie di contatto con i grani, ma anche omogeneamente all’interno del li-

quido (formazione di dendriti equiassiche).

PROTEZIONE DEL METALLO FUSO DALL’AMBIENTE

A caldo, soprattutto allo stato liquido, il metallo tende ad assorbire ossigeno, idrogeno e altri gas nocivi; dunque,

per evitare ciò, la zona fusa può essere protetta dall’ossidazione dell’atmosfera mediante:

METALLURGIA – SECONDO PARZIALE 23 Gabriele Grezzana

- camera a vuoto;

- atmosfera di gas inerte;

- flusso granulare o rivestimento dell’elettrodo consumabile (fondendo generano scoria e fumi protettivi), riprodu-

cendo in piccolo ciò che è la procedura standard per l’affinazione della ghisa in acciaieria o fonderia;

- metodi misti, ovvero combinazione delle soluzioni precedenti.

PROCEDIMENTI DI SALDATURA

La sorgente termica impiegata per la fusione può essere costituita, a seconda dell’ambiente, della disponibilità, del

volume da fondere, da:

- fiamma derivante da combustione di un idrocarburo (ossiacetilenica);

- effetto Joule (saldature a resistenza);

- arco elettrico tra un elettrodo e i lembi da saldare (differenza di potenziale elevata, molto comune);

saldatura ad arco con elettrodi consumabili rivestiti,

saldatura ad arco sommerso,

saldatura ad arco con filo elettrodo e gas protettivo (MIG/GMAW),

saldatura ad arco con elettrodo infusibile e gas protettivo (TIG/GTAW),

- arco plasma;

- fascio laser;

- fascio elettronico;

SALDATURA AL CANNELLO OSSIACETILENICO

Per saldature completamente manuali, mediante torcia entro

e C H (acetilene).

la quale fluiscono O 2 2 2

L'energia necessaria per la saldatura in questo procedimento

viene fornita dalla miscelazione dei due gas, la fiamma pro-

dotta dalla reazione di combustione si divide in tre zone:

- dardo, che è una zona conica immediatamente adiacente all'uscita del cannello, bianco abbagliante, in cui av-

viene la reazione: C H + O → 2CO + H + 444 kJ

2 2 2 2

Questa reazione, come è ben visibile, dà origine a prodotti gassosi che possono essere ulteriormente ossidati (CO

e H ). La temperatura più elevata della fiamma è raggiunta al vertice del dardo.

2

- zona riduttrice, di colore bluastro, in cui i gas riducenti prodotti nel dardo vengono a contatto con l'ossigeno

presente nell'aria, e, completando l'ossidazione, producono ulteriore calore. In questa zona avvengono le reazioni:

2CO + O → 2CO + 573 kJ

2 2

1

H + O → H O + 243 kJ

2 2 2

2

- pennacchio, la zona più esterna della fiamma costituito da prodotti della combustione, azoto e ossigeno atmo-

sferico in eccesso a quello richiesto per le reazioni nella zona riduttrice. Il pennacchio è più luminoso della zona

METALLURGIA – SECONDO PARZIALE 24 Gabriele Grezzana

riduttrice, finché i gas restano a temperatura sufficientemente elevata.

Dal punto di vista chimico è ossidante, data la presenza di ossigeno atmosferico.

La fiamma che si ottiene con la combustione dell'acetilene in ossigeno puro ha la temperatura di fiamma più alta

fra quelle conosciute (3000-3100 °C), per esempio la combustione di idrogeno con ossigeno dà una temperatura

nella combustione

di fiamma di circa 2500 °C. Chimicamente la fiamma ossiacetilenica, producendo solo CO e H 2

primaria ha caratteristiche riducenti, quindi è la fiamma stessa a proteggere il metallo sottostante dall'ossidazione.

Il metallo d’apporto viene fornito manualmente, accostando una bacchetta.

TIG - SALDATURA AD ARCO CON ELETTRODO IN TUNGSTENO

Procedimento manuale oppure semiautomatico. L’elettrodo è infusi-

bile e l’eventuale materiale d’apporto viene fornito dall’esterno (ma-

nualmente) sotto forma di “bacchetta”

Coassialmente il sistema è collegato ad una bombola di argon o elio,

il primo, essendo più pesante dell’aria, crea una cappa che isola la

saldatura dall’atmosfera circostante, evitando così l’ossidazione e al-

tre reazioni non desiderate.

L’arco elettrico è la manifestazione fisica del passaggio di corrente in

un mezzo gassoso ionizzato: gli elettroni vengono emessi dall’elet-

trodo negativo quando riscaldato e, accelerati dalla tensione tra ca-

todo e anodo, ionizzano per urto le molecole di gas interposte.

Quando la temperatura dell’arco arriva a valori superiori a circa 5000 °C si parla di plasma

SMAW - SALDATURA AD ARCO CON ELETTRODO RIVESTITO

L’elettrodo fusibile costituisce il materiale d’apporto ed è rivestito con so-

stanze che fondendo generano gas protettivo e scoria:

- rivestimento acido (ossidi di ferro e silice) buona disossidazione;

- rivestimento acido (rutilico) per saldature in posizione: la tensione su-

perficiale della scoria aiuta a sostenere il liquido;

- rivestimento basico (ossidi vari e carbonati di Ca e Mg) ottima depura-

zione del bagno.

Quando si porta l'elettrodo ad una distanza opportuna dal pezzo scocca l'arco elettrico, che fonde il materiale

metallico dell'elettrodo, il rivestimento ed il metallo del pezzo che deve essere saldato.

Il saldatore sposta manualmente la pinza, gestendo in tal modo il bagno di saldatura, e, al termine dell'opera-

zione, elimina la crosta (scoria) che si è formata sopra la saldatura, avente la funzione di proteggere il metallo nel

corso del raffreddamento.

Dato che gli elettrodi hanno una lunghezza di qualche decina di centimetri devono essere sostituiti nel corso delle

operazioni di saldatura. Sia la necessità di sostituire gli elettrodi, sia quella di scalpellare la scoria dopo aver effet-

tuato la saldatura riducono la produttività del procedimento, riducendone quindi l'economicità.

MIG - SALDATURA CON ELETTRODO CONSUMABILE METALLICO

Procedimento semiautomatico in cui il filo (materiale d’apporto) - elettrodo consumabile fluisce attraverso la tor-

cia.

METALLURGIA – SECONDO PARZIALE 25 Gabriele Grezzana

Il procedimento di saldatura MIG/MAG è un procedimento a filo continuo in cui la protezione del bagno di salda-

tura è assicurata da un gas di copertura, che fluisce dalla torcia sul pezzo da saldare.

Il fatto che sia un procedimento a filo continuo garantisce un'elevata pro-

duttività al procedimento stesso, e contemporaneamente la presenza di

gas permette di operare senza scoria (entrambe queste caratteristiche

aumentano l'economicità del procedimento nei confronti della saldatura

a elettrodo).

La protezione è garantita da un gas:

- MIG: gas inerte (Ar, He);

, CO +O , …), gas di basso costo che dissociandosi

- MAG: gas attivo (CO 2 2 2

e ricombinandosi con O apportano energia.

2

La saldatura MIG/MAG, come tutti i procedimenti a filo continuo, è un procedimento derivato dall'arco sommerso,

ma, nei confronti quest'ultimo, ha il vantaggio che l'operatore può tenere l'arco sotto osservazione diretta, quindi

può controllare l'esecuzione della saldatura come nei procedimenti a elettrodo (elettrodo rivestito e TIG).

SAW - SALDATURA AD ARCO SOMMERSO

Essa è un procedimento di saldatura ad arco a filo conti-

nuo sotto protezione di scoria.

La morfologia generale della zona di saldatura (cioè il

fatto che l'arco scocchi sotto la scoria) permette di gene-

rare una grande quantità di calore che, essendo scher-

mato dalla scoria, cattiva conduttrice termica, resta loca-

lizzato nel bagno di saldatura e consente la fusione di grandi volumi di base e di apporto.

Quindi la saldatura ad arco sommerso permette di operare con elevate velocità di saldatura e di deposito ed è un

processo che può essere reso completamente automatico, ma impossibile o molto complicato da eseguire in po-

sizione.

Durante l’operazione un flusso granulare copre e scherma la zona dell’arco e, fondendo, crea della scoria protet-

tiva (è necessario prevedere una tramoggia per l’alimentazione del flusso e un dispositivo di aspirazione del flusso

a valle).

SALDATURA A RESISTENZA ELETTRICA Esercitando, per mezzo di un elettrodo metallico, una pressione su un'area

limitata del materiale e facendo passare nell'elettrodo una corrente elet-

trica di una data intensità per effetto Joule il calore generato nelle varie se-

zioni sarà proporzionale alla resistenza delle sezioni stesse e permetterà la

saldatura per apporto termico: 2 t

Q = k R I

La pinza utilizzata è costituita da due elettrodi in rame raffreddati ad ac-

qua, tra di essi scorre una corrente elevata che incontra tre interfacce:

rame-metallo, metallo-metallo e metallo-rame. La zona di contatto tra le

due lastre di metallo (non visibile) è quella che si oppone (come resistenza)

maggiormente al passaggio di elettroni; qui il calore è generato in massima parte e porta alla fusione del mate-

riale in un volume limitato.

Il più delle volte si eseguono punti di saldatura in serie anziché un cordone; in condizioni particolari il giunto si

può formare anche solo allo stato solido.

METALLURGIA – SECONDO PARZIALE 26 Gabriele Grezzana

Riducendo la pressione ed interrompendo il passaggio di corrente nell'elettrodo il materiale solidifica collegando i

due pezzi per saldatura. Date le sue caratteristiche, questa metodologia di saldatura è applicabile solo per piccoli

spessori di materiale.

La saldatura a resistenza, rispetto alla saldatura ad arco, presenta il vantaggio di avere cicli termici meno severi,

quindi di avere una zona termicamente alterata sensibilmente più ridotta di quella di una saldatura ad arco; inoltre

è caratterizzata da bassi costi ed è automatizzabile molto facilmente.

18/05/2015

23 a). DEFORMAZIONE PLASTICA

FORMATURA DEI METALLI

Le strade che si possono seguire per attribuire una forma desiderata ad un lingotto o un blocco di metallo senza

che questo venga fuso sono due:

- deformazione plastica impartita al materiale mantenendo costante il volume del metallo in lavorazione; essa per-

mette al materiale di fluire dalle zone in cui non serve a quelle in cui è necessaria la sua presenza;

- rimozione progressiva di materiale attraverso tecniche di asportazione di truciolo (o di materiale).

DEFORMAZIONE PLASTICA

La classificazione generale viene fatta in base al principale tipo di sollecitazione operante sul materiale:

- per compressione diretta (forgiatura, laminazione);

- per compressione indiretta (trafilatura, estrusione, imbutitura);

- per trazione (imbutitura, stiramento);

- per flessione (piegatura);

- per taglio (tranciatura).

Nella laminazione e trafilatura lo sforzo imposto

dall’esterno è di trazione, ma a causa della forma

della matrice questo diventa di compressione

(assottigliamento spessore); per questo motivo si è soliti usare il termine “compressione indiretta”.

L’imbutitura invece può ricadere sia nel campo della compressione che della trazione, questo perché a seconda

dei valori delle forze in gioco si hanno preferenzialmente sforzi del primo o del secondo tipo.

Dal punto di vista della sequenza delle operazioni del ciclo produttivo si identifica un secondo criterio di distin-

zione:

1) Vengono eseguite lavorazioni plastiche primarie o di sbozzatura per ridurre il prodotto grezzo di solidificazione

in un semilavorato, questo avviene mediante una deformazione a caldo (T minori del punto di fusione). In questo

passaggio si modifica la struttura mediante: omogeneizzazione della composizione (meccanica e termica), ricri-

stallizzazione, eliminazione di piccoli difetti di solidificazione;

2) Si operano lavorazioni plastiche secondarie o di finitura che spesso vengono ottenute con lavorazioni a freddo;

che producono una ulteriore modifica delle caratteristiche del materiale e consentono un maggiore controllo su-

perficiale in termini di rugosità, aspetto e tolleranze dimensionali.

METALLURGIA – SECONDO PARZIALE 27 Gabriele Grezzana

DEFORMAZIONE PLASTICA A CALDO

Nei processi di deformazione a caldo la temperatura va considerata in relazione a quella di fusione del metallo, si

avranno per questo motivo valori percentuali (60%).

Solitamente si indicano come processi a caldo quelli per cui

T > 0,6 T

LAV fus

Questo implica che per gli acciai la temperatura di lavorazione vada dai 900 ai 1300°C, a seconda della composi-

zione della lega.

Durante i processi di deformazione plastica a caldo è necessario soddisfare le seguenti condizioni, al fine di otte-

nere un prodotto stabile e resistente, ma allo stesso tempo non troppo fragile:

- temperature e deformazioni sono tali da consentire una rapida ricristallizzazione del metallo in lavorazione, evi-

tando l’accumularsi dell’incrudimento;

- per la maggiore plasticità, sono consentite elevate deformazioni senza cedimenti del materiale o elevate solleci-

tazioni sugli utensili;

- le lavorazioni possono essere eseguite in più passate ottimizzando temperature e deformazioni imposte (tra le

varie passate il metallo ricristallizza in modo che non si incrudisca eccessivamente);

- l’interazione del metallo con l’ambiente (ossidazione) limita fortemente le tolleranze e la finitura ottenibile (per-

dita di materiale utile); questo implica che a temperature vicine alla fusione sia doveroso lavorare in atmosfere

neutre o a basse pressioni.

Un esempio di violazione di quest’ultima condizione si ha se il processo viene condotto ad alte temperature (1000

°C) e in atmosfera ambientale: sulla superficie del materiale metallico si formano delle scaglie di ossido, rendendo

così il profilo dell’oggetto e vanificando i costosi processi di riduzione avvenuti in fase di produzione.

FENOMENO DELLA RICRISTALLIZZAZIONE:

Esistono due tipologie di ricristallizzazione (nascita di grani di dimensioni minori a partire da quelli più estesi) in

seguito ad un processo di lavorazione che implica compressione (diretta o non):

• dinamica, se avviene durante la deformazione plastica

• statica, se avviene in tempi seguenti (anche brevi), comunque prima della successiva lavorazione (in modo natu-

rale, oppure per trattamento in forno). In questo secondo caso la deformazione risulta essere

inferiore (non sufficiente ad indurre ricristallizzazione

immediata) rispetto alla situazione dinamica, questo

accade spesso quando la differenza di spessore tra

oggetto prima del trattamento e dopo risulta piccola

Il prodotto ottenuto da entrambe le eventualità è

identico, varia solo il tempo in cui questo processo av-

viene (statico più lento e non immediato).

[Rappresentazione dei differenti processi di ricristallizzazione: (a) ricristallizzazione dinamica (b) statica].

EFFETTO DELLA TEMPERATURA DI DEFORMAZIONE

Di fondamentale importanza sono la scelta di del limite inferiore e superiore della temperatura di lavoro.

Il primo valore viene fissato principalmente per:

METALLURGIA – SECONDO PARZIALE 28 Gabriele Grezzana

- evitare l’incrudimento, provocando la ricristallizzazione;

- evitare la formazione di difetti nel materiale (strappi, cricche) e il carico eccessivo sulle attrezzature;

- consentire di ottenere la forma voluta in un numero di passaggi economicamente conveniente.

Mentre il limite superiore al fine di:

- evitare la fusione del metallo o degli eventuali compositi bassofondenti presenti;

- limitare la crescita del grano cristallino (ad alte T si ha elevata diffusione e velocità di crescita dei grani);

- evitare l’ossidazione e la decarburazione eccessiva in quanto reazioni favorite dall’alta temperatura.

PARAMETRI DI DEFORMAZIONE

Tra i principali parametri di lavorazione si hanno:

• temperatura del materiale, decisa in relazione a quale si dispone;

• deformazione imposta;

• velocità di deformazione.

Quest’ultimo fattore necessita di una valutazione più sofisticata (ripresa

dei concetti relativi alla prova di trazione).

L’aumento della velocità con cui il metallo viene deformato porta ad un

peggioramento della lavorabilità a caldo a causa dell’aumento della resistenza opposta dal metallo (modulo E cre-

sce con ) e del minore tempo disponibile per fenomeni legati alla diffusione, recupero e ricristallizzazione

ε̇

Nel grafico riportato si osserva come le temperatura del solidus (e quindi indicativamente anche la lavorabilità),

riferita al componente più bassofondente, decresca all’aumentare della velocità di deformazione.

Si indentificano, perciò, la regione nel diagramma in cui è possibile la deformazione e quella al, contrario, in cui si

ha rottura per schianto (dominio elastico); esse sono separate dalla curva nominata “criccatura a caldo”.

MODIFICAZIONE DELLA STRUTTURA METALLURGICA DOPO DEFORMAZIONE PLASTICA

Un importante effetto della deformazione plastica a caldo consiste nella eliminazione della struttura grezza di soli-

dificazione (dendriti, segregazione) per ottenere una struttura fine e uniforme.

Ogni operazione di deformazione plastica tende a modificare anche le seconde fasi presenti quali le inclusioni

non metalliche; a seconda del tipo e della loro deformabilità potranno trovarsi in forma allungata oppure conser-

vare caratteristica sferica dopo deformazione.

Lega di Al grezza di fusione e laminata a caldo Inclusioni di MnS in un acciaio laminato a caldo

Nelle strutture grezze di partenza la composizione chimica è eterogenea, contenente microdifetti; in seguito alla

lavorazione plastica la composizione diviene omogenea, il che è un grande vantaggio (comportamento isotropo).

La lega deformata presenta infatti proprietà migliori: grani di dimensioni minori (affinamento) e simili (omogeneiz-

zazione), rimozione della maggioranza dei difetti.

METALLURGIA – SECONDO PARZIALE 29 Gabriele Grezzana

Complessivamente il processo di deformazione plastica incrementa le proprietà meccaniche come la duttilità; essa

inoltre modifica la forma delle inclusioni di materiali residui dal processo di fusione. Questi possono allungarsi du-

rante la lavorazione oppure frantumarsi (ossidi non deformabili): nel primo caso un’analisi di sezione al microsco-

pio permette di stabilire la tipologia (e la direzione) di deformazione subita dal metallo.

Se la densità di queste impurità è elevata il materiale perde la sua caratteristica isotropia, con conseguente minor

resistenza e duttilità; questo perché le inclusioni possono diventare un principio di cricca per la rottura essendo le

zone più deboli dell’intero reticolo.

Inoltre nell’eventualità in cui la forza applicata sia trasversale alla direzione di deformazione del precedente tratta-

mento, e quindi anche alle impurità allungate, la sezione resistente risulta essere molto minore a quella del pro-

vino reale e questo giungerà prima a rottura (sforzi maggiori). Nel caso in cui forza e orientamento delle inclusioni

sia parallelo questo effetto non si osserva poiché la sezione resistente è molto simile a quella di aspettazione.

Per questo motivo prima si affermava la perdita di isotropia del materiale: la resistenza è legata alla direzione di

sollecitazione (rispetto alle impurità allungate).

DEFORMAZIONE PLASTICA A FREDDO

I processi a freddo spesso corrispondono alle fasi finali della sequenza di lavorazione di un prodotto e come con-

seguenza principale apportano un elevato grado di incrudimento del materiale metallico.

L’oggetto così trattato (a freddo) può essere sfruttato per migliorare alcune proprietà meccaniche, ma ha come

conseguenza intrinseca la diminuzione di lavorabilità. L’eccessivo incrudimento può addirittura portare a frattura

la macchina impiegata per la lavorazione oppure il manufatto, quando questo risulta troppo duro (fragile).

Per i motivi sopra elencati spesso, in seguito ad un incrudimento esagerato, nasce la necessità di un trattamento

di ricottura, il quale, aumentando la diffusione nel reticolo, permette l’eliminazione delle dislocazioni e il ripristino

di una struttura più lavorabile.

Le attrezzature e tecnologie impiegate sono simili a quelle delle lavorazioni a caldo ma esistono dei processi spe-

cifici per la deformazione a freddo, come:

• trafilatura;

• imbutitura;

• piegatura.

I prodotti hanno le seguenti caratteristiche:

- possono arrivare a spessori molto sottili;

- possono avere ottime caratteristiche di finitura e tolleranza dimen-

sionale;

- possono essere variamente incruditi per migliorare le proprietà meccaniche.

Con un aumento del grado di incrudimento migliorano progressivamente R e R ma cala la duttilità (AP, nel dia-

s m

gramma), questo perché le variazioni delle proprietà rendono conto del progressivo aumento del numero di di-

slocazioni presenti nel metallo.

Insistendo con la deformazione a freddo, si raggiunge un limite oltre il quale l’incrudimento diventa eccessivo, con

conseguente possibilità di formazione di difetti e necessità di applicare forze elevate per deformare il corpo.

EVOLUZIONE DELLE PROPRIETÀ CON IL TRATTAMENTO DI RICOTTURA

Un metallo incrudito è in una forma instabile dal punto di vista termodinamico e con un aumento della tempera-

tura tende a riorganizzare la sua struttura in una configurazione a minore energia.

METALLURGIA – SECONDO PARZIALE 30 Gabriele Grezzana

Si identificano tre fasi (separate nel grafico da linee verticali tratteggiate) del processo di ricottura:

1) Recupero/riassetto

- modifica delle proprietà fisiche

- eliminazione delle tensioni interne

2) Ricristallizzazione

- formazione di nuovi grani più fini

- riottenimento delle proprietà meccaniche iniziali

3) Crescita del grano cristallino

- ingrossamento del grano per la permanenza in temperatura

EVOLUZIONE DELLA MICROSTRUTTURA CON LA DEFORMAZIONE A CALDO O LA RICOTTURA

Questo concetto è già stato visto quando si parlava di incrudimento

a proposito dei meccanismi di rafforzamento.

[Schema delle fasi processo di ricristallizzazione: a) metallo defor-

mato; b) formazione di sottograni (vedi dettaglio sotto); c) inizio ri-

cristallizzazione; d) grani completamente ricristallizzati]. 

della fase di

[Schema

riassetto con formazione

di celle o sottograni

(bordi meglio definiti)].

Nell’immagine a sinistra

si osservano gli avvenimenti microscopici, concentrando l’attenzione

sulle dislocazioni. Queste sono generalizzate in tutto il reticolo (a), ma

aumentando la temperatura (quindi la diffusione) e concedendo il

tempo sufficiente per il loro movimento iniziano a concentrarsi in al-

cune zone (b) dando forma ai futuri bordi grano (c, d).

Nel passaggio dal primo al secondo punto (ab) avviene il processo

di ricristallizzazione statica/dinamica: le dislocazioni mobili si riarran-

giano per limitare il campo delle tensioni ovvero formano dei sottograni a partire da quelli incruditi già esistenti.

23 b). TRUCIOLO

LAVORAZIONI PER ASPORTAZIONE DI MATERIALE (TRUCIOLO)

Indipendentemente dal tipo di lavorazione (fresatura, tornitura, foratura, ecc.), la lavorazione del materiale pre-

vede l’asportazione del metallo per formazione di un nastro (continuo o discontinuo) e scorrimento del truciolo

sull’utensile. A sinistra si può osservare una rappresentazione del funziona-

mento di una macchina che modifica la forma di un cilindro di me-

tallo per asportazione di materiale. L’utensile riduce il diametro e

rimuove il truciolo (spessore molto piccolo); il materiale risulta sot-

toposto ad una intensa deformazione plastica che comporta un in-

cremento significativo di temperatura.

METALLURGIA – SECONDO PARZIALE 31 Gabriele Grezzana

Questa energia termica è dovuta al forte attrito che si ha durante lo scorrimento tra piani reticolari: subendo una

deformazione rapida essi si organizzano impilandosi l’uno sull’altro, dando vita al truciolo.

Il truciolo, per il metodo con cui si viene a formare, risulta essere molto duro e incrudito; quando possibile viene

impiegato come scarto per le fusioni di altro materiale (riciclaggio).

Truciolabilità: capacità dell’utensile di determinare la formazione del truciolo nei

diversi metalli e leghe (effetto combinato, anche il materiale deve essere sufficien-

temente duttile).

[Schema approssimato del meccanismo elementare di generazione del truciolo].

I fattori che intervengono nella lavorazione per asportazione sono praticamente

gli stessi che influenzano le lavorazioni plastiche e sono raggruppabili in due cate-

gorie. Fattori operativi:

- velocità di taglio;

- profondità di passata;

- materiale e geometria dell’utensile (determina l’angolo di taglio);

- condizioni di lubrificazione.

Fattori metallurgici:

- durezza/resistenza dell’acciaio;

- microstruttura e stato inclusionale;

- conducibilità termica.

[Tipica formazione del truciolo per scorrimento di piani reticolari da strati diffe-

renti di materiale e loro successivo impilamento]. 

Spesso è necessaria la lubrificazione sia del materiale che dell’utensile impiegato per la lavorazione, in questo

modo la dissipazione di energia termica in seguito alla deformazione risulta essere minore (attrito inferiore) e non

si hanno più fenomeni di fusione locale e di metallo liquido che si salda alla punta.

CONDIZIONI DI FORMAZIONE DEL TRUCIOLO

• Truciolo continuo (a):

- il metallo si deforma generando un nastro continuo (materiali duttili);

- problemi di intralcio del truciolo in zona di lavoro.

Questo è il meccanismo meno desiderato poiché il truciolo possiede una

lunghezza elevata, impedendo il movimento del macchinario.

• Truciolo discontinuo (b):

METALLURGIA – SECONDO PARZIALE 32 Gabriele Grezzana

- frattura intermittente (frammenti polverosi e fini) del flusso in uscita dall’utensile (per materiali fragili).

• Truciolo continuo con tagliente di riporto (c):

- adesione di materiale altamente incrudito all’utensile nella zona del tagliente;

- distacco periodico del riporto e scarsa finitura superficiale.

Questo è il caso peg-

giore: il materiale fonde

e solidifica immediatamente a contatto

con la punta del macchinario, modificando

il taglio seguente; è questo il caso più fre-

quente per i materiali duttili.

[Immagini riassuntive delle tre tipologie di

truciolo. Nella terza figura si osserva il truciolo continuo con tagliente di riporto e la con-

seguente forma irregolare della superficie lavorata in seguito].

METALLI A LAVORABILITÀ MIGLIORATA

Per ottenere maggiore “truciolabilità” (formazione di

trucioli interrotti che non intralciano la lavorazione) si è

soliti fare aggiunte, in fase liquida, di elementi (quali S)

formanti inclusioni deformabili (anche Se, Te, …).

Il motivo è il seguente: le inclusioni innescano la frattura del truciolo, inoltre si

sviluppa un’azione lubrificante che riduce l’attrito e la tendenza al grippaggio

sull’utensile del truciolo (tagliente di riporto).

di elementi che permettono di migliorare la truciolabilità impe-

[Inclusioni

dendo la formazione di un truciolo continuo].

Al contrario, bisogna evitare costituenti ad

alta durezza quali carburi, ossidi o marten-

site: essi rendono il metallo meno lavorabile

per la minore facilità con cui avviene il

flusso plastico del metallo e causano una

forte usura sull’utensile (abrasione).

[Struttura di un acciaio in versione normale

e a lavorabilità migliorata]. 

24. METALLURGIA DELLE POLVERI

METALLURGIA – SECONDO PARZIALE 33 Gabriele Grezzana

Questo paragrafo tratta la produzione di parti finite partendo da polveri metalliche che vengono poi pressate e

sinterizzate per ottenere un pezzo compatto ed omogeneo.

La tecnica appena descritta permette di ottenere oggetti piccoli ma di forma complessa in tempi brevi, una volta

che sia disponibile lo stampo.

Gli impieghi principali sono la produzione di: parti ceramiche, compositi in me-

tallo-ceramica, parti in metalli refrattari, cuscinetti autolubrificanti, carburi sinte-

rizzati e metalli porosi e filtri. In questo ultimo caso la porosità re-

sidua è voluta, conferendo al mate-

riale una densità parziale.

[Alcuni esempi di ingranaggi e mec-

canismi di piccole dimensioni otte-

nute tramite pressatura e sinterizza-

zione di polveri metalliche]. 

CICLO DI FABBRICAZIONE DI UN COMPONENTE PER SINTERIZZAZIONE

Sono generalmente possibili due vie alternative:

• Pressatura + sinterizzazione;

• Compattazione a caldo delle polveri.

Nel caso della prima possibilità viene im-

piegata una pressa a freddo che conferisce

la forma del manufatto finale; il pezzo mantiene tale geometria ma non possiede proprietà meccaniche avendo una

consistenza simile agli stampi di sabbia compressa impiegati nella colatura in forme. Per questo motivo l’oggetto

uscito dalla pressatrice viene trasportato delicatamente in un forno, dove viene cotto ad alta temperatura, permet-

tendo l’espansione e l’unione dei grani che così riempiono la maggioranza delle porosità (densità 98-99%).

Entrambi i processi sono convenienti per particolari di piccole dimensioni e con geometria complessa in quanto in

tutto il ciclo di fabbricazione si ha il solo costo iniziale di lavorazione dello stampo (oltre che la materia prima).

PRODUZIONE DELLE POLVERI METALLICHE E POSSIBILITÀ DI ALLIGAZIONE

Si utilizzano preferibilmente metalli ed elementi di lega che non si ossidano troppo facilmente nell’atmosfera del

forno di sinterizzazione (ad esempio negli acciai Ni, Cu, Mo, C). Un’eccesiva ossidazione comporterebbe un

successivo trattamento delle polveri, che altri-

menti sarebbero reattive al punto da produrre

esplosioni o giungere ad autocombustione.

Per questo motivo si tende ad evitare la pre-

senza di elementi facilmente ossidabili nelle

polveri di partenza.

Nel caso non sia possibile ottenere la lega

con cui si vuole produrre il manufatto sotto

forma di polveri è possibile miscelare nelle

giuste proporzioni i costituenti di partenza (alcuni esempi in figura).

Le polveri di un metallo si possono ottenere attraverso due tecniche differenti:

METALLURGIA – SECONDO PARZIALE 34 Gabriele Grezzana

DELLE POLVERI PER ATOMIZZAZIONE DA METALLO LIQUIDO

PRODUZIONE

Si parte dal metallo allo stato fuso contenuto in un crogiolo, questo

viene pressato dalla parte opposta al foro presente sul fondo: ne esce

un filo liquido molto sottile che viene colpito da un getto continuo di

gas inerte. In questo modo si ha la dispersione di minutissime gocce

aventi forma sferica (immagine a sinistra) che solidificano in caduta e

vengono recuperate sul fondo.

Tutto il processo va svolto in ambiente

inerte controllato altrimenti le elevate

superficie

specifica e temperatura comporterebbe un’ossida-

zione quasi istantanea. Le dimensioni medie di una di queste goccioline varie da 10 a 100 µm e a seconda del loro

impiego possono avere costi molto significativi.

DELLE POLVERI PER MACINAZIONE

PRODUZIONE

Questo meccanismo di produzione risulta essere molto più semplice e meno articolato del precedente.

La macinazione non necessita di ambiente controllato e av-

viene in condizioni ambientali

(ad eccezione delle zone di ri-

cottura); come dice il nome

stesso la polvere viene pro-

dotta semplicemente maci-

nando e frantumando in pezzi

sempre più piccoli i rottami

purificati.

METALLURGIA – SECONDO PARZIALE 35 Gabriele Grezzana

OPERAZIONE DI PRESSATURA

Il processo può essere riassunto come segue: lo stampo viene riempito prestando attenzione a non lasciare vuoti.

Tra i granelli stessi e tra questi e le pareti dello stampo si presentano forze di attrito che resistono alla pressatura:

la parte opposta a dove agisce la pressa nello stampo sente una pressione minore a causa di ciò (figura a sinistra).

Perché la parte pressata abbia densità il più possibile omogenea, è necessario che le dimensioni non siano ecces-

sive (stampi troppo grandi non producono manufatti pressati nelle zone interne) e che l’attrito polvere-polvere e

polvere-pareti stampo sia ridotto.

Questi sono limiti del macchinario: le forze per sinterizzare grandi superfici sono

enormi; per risolvere invece il problema dell’attrito si ricorre alla:

- lubrificazione di massa/volume: tutta la

polvere viene miscelata con sostanze lubri-

ficanti;

- lubrificazione di parete/superficie: il lubri-

ficante viene posizionato solamente sulle

pareti.

Le sostanze lubrificanti additive vengono

poi eliminate mediante trattamento ter-

mico, durante il quale lo stampo assume

permanentemente la forma data dalla

pressatrice.

CURVE DI COMPRIMIBILITÀ

Durante la pressatura si hanno le seguenti fasi:

- Ridistribuzione delle particelle di polvere nel volume dello stampo (riempimento vuoti) ∆V≈15-20%;

- Loro deformazione elastica ∆V≈30-40%;

- Deformazione plastica di superficie e compenetrazione delle asperità superficiali delle particelle ∆V≈40%;

- Deformazione plastica diffusa di volume con pressione dell’ordine di 400-800 MPa (limite tecnologico alla produ-

zione di parti grandi);

- Estrazione del pezzo con espansione di 0,2-0,3% (recupero elastico).

FASE DI SINTERIZZAZIONE

Il pezzo viene scaldato sotto pressione (sinterizzazione a caldo) oppure semplicemente cotto in ambiente ridu-

cente per evitare che si formi dell’ossido con conseguente perdita di prodotto utile.

Date le caratteristiche di questo processo gli stampi devono resistere ad elevate temperature, quindi non sono

realizzabili geometrie di ogni genere, ma solamente quelle con forme non troppo complesse (pochi dettagli).

L’ottenimento di un volume più compatto e resistente a partire dal semiprodotto pressato è regolato da:

• Diffusione;

• Scorrimento plastico;

• Evaporazione e condensazione.

Il processo di diffusione è principalmente il movimento degli atomi sulla superficie dei grani e lungo le disloca-

zioni al fine di riempire i vuoti e omogeneizzare la struttura.

METALLURGIA – SECONDO PARZIALE 36 Gabriele Grezzana

Se le temperature raggiunte localmente sono sufficientemente elevate può avvenire l’evaporazione di una parte

del metallo, che in questa maniera può muoversi più liberamente e riempire meglio lo stampo.

La sinterizzazione è utilizzata frequentemente per la produzione di componenti di autovetture, serrature, piston-

cini per frigoriferi. Durante la sinterizzazione si ha un

ritiro dimensionale dei pezzi per la

compenetrazione delle particelle di

polvere (figura) quindi è doveroso

considerare questa riduzione di vo-

lume e partire da un oggetto più

grande del prodotto finale.

Nell’immagine a destra si osserva la:

a) diffusione sulla superficie;

b) diffusione lungo le interfacce particella-particella;

c) diffusione di volume;

d) evaporazione e condensazione;

e) diffusione lungo le dislocazioni.

Le atmosfere di sinterizzazione in genere sono di tipo riducente e raggiungono temperature dell’ordine di 1100-

1300°C per le leghe ferrose, questo per evitare la presenza di ossido superficiale che limita la diffusione tra parti-

celle di polvere.

TRATTAMENTI FINALI

- Finitura per calibrazione ed esecuzione di eventuali filettature od altro (particolarmente precise);

- Trattamenti superficiali per rendere i pezzi impermeabili (sigillare porosità) ad esempio in atmosfera controllata a

520-530°C con vapori di H O per metalli ferrosi in modo da formare uno strato aderente di Fe O (ossido) in su-

2 3 4

perficie;

- Eventuale impregnazione: formazione di metalli autolubrificanti; questi sono prodotti con porosità volute e re-

golate in modo da essere riempite in seguito da lubrificante che verrà rilasciato durante l’esercizio del manufatto.

Fabbricazione additiva di componenti metallici

Sono generalmente possibili due vie alternative:

Selective laser melting

• ;

Direct metal deposition

• .

Anche se esistono metodi che combinano fabbricazione additiva e sottrattiva (ad esempio per asportazione di

truciolo).

METALLURGIA – SECONDO PARZIALE 37 Gabriele Grezzana

SELECTIVE LASER MELTING

Il processo si sostanzia nei seguenti passaggi (immagine):

- fabbricazione da letto di polveri omogeneamente distribuite su un piano;

- fusione localizzata (sinterizzazione) tramite sorgente selettiva delle polveri

electron beam );

basata su laser o EB ( La tecnica presenta delle limitazioni nella produzione di componenti spesso

legate alle dimensioni della camera che deve essere tenuta in atmosfera

protetta per evitare reazioni indesiderate (ossidazione, carburazione, ecc.).

La polvere viene consolidata mediante un fascio focalizzato per promuo-

vere la fusione e risolidificazione di piccoli volumi per volta.

Si ha infatti una rapida solidificazione localizzata (maggiore della saldatura)

che permette di produrre strutture molto fini e orientate.

Durante il processo la polvere si fonde e si lega al substrato solido sottostante (passata precedente), ciò permette

di avere limiti nelle dimensioni dell’oggetto meno dure della sinterizzazione. A causa di questo raffred-

damento molto rapido la

SLM viene seguita da pro-

cessi di trattamento ter-

mico per ingrossare i grani

troppo fini.

DIRECT METAL DEPOSITION

 laser cladding

, PTA, TIG, …).

Le tecniche che ricadono in questa categoria sono ormai relativamente consolidate (

In questi ultimi anni si è cercato di spingere i processi per giungere a deposizione di spessori rilevanti, spesso per

pareti, non solo volumi pieni. powder blown deposition ” o

La DMD è stata sviluppata per produrre grandi strutture con approcci basati su “

wire deposition

“ ”. di produzione additiva (a destra)

[Processi

e sottrattiva (a sinistra)].

METALLURGIA – SECONDO PARZIALE 38 Gabriele Grezzana

PROCESSI COMBINATI DI PRODUZIONE ADDITIVA E SOTTRATTIVA direct metal deposition ” con centri per

Nell’ultimo periodo la ricerca si è spinta verso l’integrazione di tecniche “

lavorazioni per asportazione. In questo modo lo stesso macchinario dispone degli utensili necessari ad operare

tecniche di addizione e asportazione di materiale (figure) sullo stesso manufatto.

[Fasi di lavorazione: additiva (centro e destra) e sottrat-

tiva (sinistra)].

20/05/2015

25 a). EFFETTO DEGLI ELEMENTI DI LEGA NEGLI ACCIAI

La solubilità nel ferro degli altri elementi (detti “di lega”) è basata sulla dimensione del loro raggio atomico (raggio

-10

atomico Fe: 1,24·10 m) ma anche sulla similitudine del tipo di cella cristallografica e dell’elettronegatività, ovvero

tutti i parametri che entrano in gioco quando atomi differenti si trovano in un reticolo unico.

La quantità massima di soluto che può es-

sere presente nel solvente in condizioni di

equilibrio, è detta "limite di solubilità". Af-

finché un dato elemento possieda elevata

solubilità nel reticolo di un altro metallo, è

necessario che si presentino contempora-

neamente alcune condizioni:

• dimensioni atomiche: il soluto non deve

avere raggio atomico che differisca più del

15% da quello del solvente;

• struttura cristallina: le strutture devono es-

sere quanto più simili possibile, oppure le stesse;

• elettronegatività: le elettronegatività devono essere le stesse o quanto più simili possibile;

• valenza: le valenze degli atomi devono essere quanto più simili possibile.

Esistono dei diagrammi strutturali degli acciai allo stato ricotto che forniscono informazioni (approssimate) sulla

struttura risultante dall’aggiunta di elementi in leghe Fe-C-X dopo raffreddamento lento (ricottura).

Gli acciai legati sono acciai in cui elementi di lega vengono debitamente aggiunti per variare alcune caratteristiche

meccaniche o fisiche del materiale.

L’aggiunta degli elementi di lega va ad influire sulle cinetiche di trasformazione degli acciai e sui fenomeni di re-

cupero, ricristallizzazione e crescita dei grani.

METALLURGIA – SECONDO PARZIALE 39 Gabriele Grezzana

Le proprietà degli acciai dipendono dalle caratteristiche delle singole fasi costituenti, le due fasi principali sono

potere

l’austenite FCC e la ferrite BCC, per cui la prima grande divisione degli elementi di lega considera quelli con

austenitizzante e quelli con potere ferritizzante.

AUSTENITIZZANTI

ELEMENTI Il carbonio ha l’effetto di diminuire la temperatura di trasformazione au-

stenite-ferro (abbassa il punto A3) e di aumentare la temperatura di

α

transizione austenite-ferro quindi espande il campo di esistenza del

δ,

ferro e per ciò è detto stabilizzatore dell’austenite.

γ

Tutti gli elementi con lo stesso effetto sono detti austenitizzanti: nichel e

manganese abbassano la tempera-

tura di transizione da FCC a BCC

fino a temperatura ambiente; azoto

rame formano il primo nitruri e il

e

secondo soluzioni solide che pro-

ducono lo stesso effetto.

Altri elementi austenitizzanti sono:

Pt, Ir, Os, Ru.

Le curve CCT degli acciai contenenti elementi austenitizzanti tendono a spostarsi verso destra, aumentando la

zona di stabilità dell’austenite: anche in seguito a raffreddamenti controllati e lenti si ottiene comunque martensite

(sottostante alla regione di stabilità dell’austenite). Un’altra importante conseguenza di ciò è il forte incremento di

temprabilità della lega (grazie alla struttura martensitica).

Come si può osservare dal diagramma di sinistra, superando un valore specifico (13% in assenza di carbonio) di

pur raffreddando a velocità infinitesime.

concentrazione di Nichel si giunge ad ottenere martensite stabile a T amb

FERRITIZZANTI

ELEMENTI Il secondo gruppo di elementi raggruppa quelli che favoriscono la for-

mazione della ferrite rispetto all’austenite.

Di questi un gruppo restringe il campo di esistenza FCC: Cr, Ti, V, Mo, Si,

Al.

Il secondo restringe il campo di esistenza del ferro abbassando la tem-

γ

peratura di transizione austenite-ferro B, Ni, Zr, Ta.

δ:

Concentrandosi sul diagramma a destra

emerge che un acciaio con concentra-

zione pari al 10% di cromo, se scaldato, entra nel campo di stabilità di mentre avendo il 20% sempre di questo

γ,

elemento il riscaldamento può essere fatto fino a qualunque temperatura ma la lega non presenterà mai una re-

gione di stabilità per bensì per con struttura BCC.

γ, δ

METALLURGIA – SECONDO PARZIALE 40 Gabriele Grezzana

Il campo M in figura indica il dominio di stabilità della martensite. Nella zona superiore del grafico non si hanno

punti critici, ciò causa l’assenza di austenite e l’impossibilità di eseguire trattamenti termici come la tempra o il rin-

venimento su acciai di questo genere.

Combinando l’effetto di due elementi di lega (diagrammi ternari) si ottengono varie possibilità di estensione e

forma del volume di stabilità di γ:

Cr ed Al chiudono il dominio, Ni e Mn lo aprono mentre Cr+Ni combinati producono una situazione intermedia

(mista).

Sono possibili anche considerazioni relativamente al punto eutettoidico in quanto gli elementi di lega possono

spostare il suo valore alzando (elementi che ferritizzanti) la temperatura e abbassando le concentrazioni di carbo-

nio. In questo modo tutti gli acciai, anche quelli a basso contenuto di C diventano ipereutettoidici.

ESERCIZIO

Sia il cromo che il nichel hanno l’effetto di traslare le curve CCT (il primo

a sinistra mentre il secondo a destra).

Grazie a ciò, come già riportato in precedenza, in seguito a raffredda-

menti anche lenti si ottiene martensite (con le giuste concentrazioni).

[Diagramma strutturale per leghe Fe-C-Cr-Ni, con C=0,25%, per la com-

binazione di elementi ferritizzanti e austenitizzanti]. 

Grazie al diagramma a lato possono essere fatte considerazioni riguardo:

- l’esistenza dei punti critici per le varie leghe (e se presenti dove);

- la possibilità di compiere trattamenti termici (legati ai punti critici);

- le condizioni strutturali raggiungibili dopo ricottura.

Per molte applicazioni si desidera avere acciai con struttura martensitica a temperatura ambiente, negli acciai al

carbonio le velocità di raffreddamento per l’ottenimento della martensite sono molto rapide, ciò può portare alla

presenza eccessiva di tensioni residue nei pezzi con conseguenti distorsioni.

opportuni elementi di lega si riesce a diminuire la velocità critica di tempra con diminuzione delle

Aggiungendo

tensioni residue. Quasi tutti gli elementi di lega, ad eccezione del cobalto, causano una diminuzione della velocità

critica di tempra migliorando l’indurimento degli acciai.

ELEMENTI NOCIVI NEGLI ACCIAI

Nella composizione chimica (% in peso) di un acciaio comune ci sono diversi elementi presenti in tracce o quasi,

alcuni dei quali considerabili come nocivi: S, P, H, O, N.

C Si Mn S P Cr Ni Mo Cu Al N O H

0,2 0,3 0,6 0,025 0,030 - - - 0,3 0,003 80 ppm 30 ppm 3 ppm

(S): Fa aumentare la fragilità a caldo, crea dei solfuri che precipitano al bordo grano infragilendo il ma-

ZOLFO

teriale e peggiorando enormemente le caratteristiche meccaniche a freddo.

Per concentrazioni considerevoli di zolfo l’eutettico si abbassa di molto e ciò ha conseguenze negative nel caso si

METALLURGIA – SECONDO PARZIALE 41 Gabriele Grezzana

vogliano operare trattamenti termici ad elevate temperature (1000

°C): acciai contenenti zolfo soffrono quindi della tipica “fragilità a

rosso” (a caldo) poiché questo elemento di lega tende a segregare

e fondere.

La massima concentrazione in peso dello zolfo non deve superare

lo 0,04%.

[Diagramma di un acciaio al variare del tenore di zolfo].  inclusioni non metalliche in acciai].

[Tipiche

(P): causa gli stessi inconvenienti dello zolfo e per questo il suo tenore deve essere molto contenuto;

FOSFORO

in caso contrario la resilienza cade a valori eccessivamente bassi.

[A sinistra il diagramma di

fase di un acciaio mentre a

destra l’andamento di resi-

stenza meccanica, duttilità

(A) e resilienza (K); entrambi i

grafici in relazione al conte-

nuto di fosforo;].

(O )

OSSIGENO 2

È l’elemento più dannoso per l’acciaio in quanto peggiora significativamente le proprietà meccaniche e la lavora-

bilità a caldo, inoltre aumenta la sensibilità al surriscaldo.

Tutto l’ossigeno presente nel metallo lo si ritrova come inclusione non metallica: esso va eliminato durante la pro-

duzione, per tale motivo si aggiungono particolari elementi desossidanti.

[L’effetto dell’ossigeno per quanto riguarda le proprietà meccaniche e di

lavorabilità è riportato nel dia-

gramma; la fotografia a micro-

scopio riporta una tipica inclu-

sione di ossido in un acciaio

O -CaO)].

(Al

2 3

Nei materiali che hanno subito

un buon processo di affinatura (rimozione delle impurità ed elementi

si concentra nelle inclusioni e non si trova

nocivi come l’ossigeno) l’O 2

disperso nella soluzione solida: ciò permette di limitare gli effetti ne-

gativi che esso può portare alla lega.

METALLURGIA – SECONDO PARZIALE 42 Gabriele Grezzana

(H )

IDROGENO 2

Questo gas favorisce la fragilità, ed è fortemente nocivo in tenori superiori a 2 ppm poiché durante la solidifica-

zione della lega esso forma vuoti e bolle interne, tanto più grandi

quanto è alta la temperatura. L’idrogeno induce anche la formazione

di fiocchi e porosità; che porta a fessurazione lucente (superfici dios-

sidate).

Se intrappolato in eccesso i singoli atomi di H diffondono rapida-

mente per formare la molecola biatomica: facendo ciò la pressione

interna può farsi un varco per uscire dal metallo e aprire fessurazioni

(immagine schematica a destra). destra il diagramma di solubilità di azoto e idrogeno

[A

nel ferro, in relazione a temperatura e struttura cristallina di

quest’ultimo]. )

(N

AZOTO 2

La sua presenza promuove l'invecchiamento (dopo defor-

mazione) dell'acciaio al carbonio: gli atomi di alcuni ele-

menti interstiziali, in particolare carbonio e azoto, in solu-

zione nel ferro, diffondono in modo preferenziale verso le

zone della matrice deformata nelle quali si sono prodotte

dislocazioni. Gli effetti di tale invecchiamento sono l'aumento di durezza, la diminuzione della tenacità, lo sposta-

mento verso temperature più elevate della transizione tra frattura tenace e frattura fragile, l'alterazione delle ca-

ratteristiche magnetiche ed elettriche, ecc. Per attenuare il fenomeno sono stati messi a punto acciai antinvec-

chianti a basso contenuto di azoto e sottoposti a calmatura con alluminio.

pitting

Negli acciai inossidabili esso aumenta la resistenza al corrosione alveolare), ovvero il fenomeno della com-

(

parsa sulla superficie di un materiale di piccoli danneggiamenti dalla morfologia caratteristica, per cause differenti

dovute a: un attacco corrosivo localizzato o a cavitazione. Oltre a questo, l’azoto ha il fattore positivo di incremen-

tare la resistenza meccanica e di stabilizzare l'austenite.

FRAGILITÀ DA RINVENIMENTO

Un infragilimento che si manifesta nell’intervallo 450-550°C in acciai da bonifica, soprattutto se contenenti Cr, Mn,

Ni e impurezze quali P, Sn, Sb, As (noto in passato anche come malattia di Krupp).

e durezza di un acciaio bonificato (con rinveni-

[Resilienza

mento a 600°C) e successivamente rinvenuto una seconda

volta alle temperature indicate solo per evidenziare l’intervallo

di infragilimento].

La sensibilità si manifesta per rinvenimenti eseguiti entro l’in-

tervallo critico (450-550°C) oppure quando, al raffreddamento

dopo rinvenimento a temperatura superiore, il metallo transita

lentamente all’interno dell’intervallo critico. L’infragilimento è

imputabile alla formazione di precipitati degli elementi nocivi

al bordo grano che porteranno ad una rottura marcatamente

intergranulare (solitamente i bordi grano sono più duri).

METALLURGIA – SECONDO PARZIALE 43 Gabriele Grezzana

L’infragilimento si genera nel caso in cui il manufatto abbia dimensioni notevoli ed il suo raffreddamento sufficien-

range di T alla quale si ha questo effetto.

temente lento: in questo modo è inevitabile il suo ingresso nel

25 b). DESIGNAZIONE DEGLI ACCIAI

Acciai classificati in base a diversi criteri: alla microstruttura, alla composizione chimica, all’impiego, alle caratteristi-

che (ad es. meccaniche), al tipo di prodotto, al tipo di processo, altro.

Esistono numerose normative per la classificazione (il più delle volte in base all’impiego), spesso traduzioni di

quella europea (inglese) nella lingua del paese corrente:

• Norme nazionali: UNI (Italia)

DIN (Germania)

BS (Regno Unito)

AFNOR (Francia)

• Norme Europee: EN/ISO

• Norme nazionali dei paesi non comunitari:

JIS (Giappone)

• Specifiche tecniche emanate da associazioni varie e prese come riferimento dal mercato:

SAE (Stati Uniti)

AISI (Stati Uniti)

Secondo UNI EN 10027 (2006) si hanno due possibilità di designazione: solo numerica oppure alfanumerica

NUMERICA del tipo: 1.XXYY (YY), di più difficile interpretazione diretta (criptica):

DESIGNAZIONE

1 Indica che si tratta di un acciaio

XX Indica il gruppo dell’acciaio (es 51 per acciaio con Mn-Cr)

YY(YY) Indica il gruppo sequenziale dell’acciaio

METALLURGIA – SECONDO PARZIALE 44 Gabriele Grezzana

ALFANUMERICA con sigle basate sulle proprietà di impiego o sulla composizione chimica

DESIGNAZIONE

Per entrambi i gruppi, quando si tratta di un acciaio per getti si antepone alla sigla la lettera G.

I codici alfanumerici contengono informazioni dirette sulle caratteristiche generali dell’acciaio; le sigle sono riferite

categoria di impiego (lettera) + caratteristica importante per l’impiego (carico di snervamento, di rottura, ecc.).

alla

Se non è riportato nulla di particolare viene sottointesa la produzione per deformazione plastica.

GRUPPO 1: acciai designati in base all’impiego e alle caratteristiche meccaniche/fisiche (di solito non legati); sono

di uso comune, non trattati termicamente, con prestazioni sufficienti per progettazioni senza specifiche necessità.

Lettera Numero Indicazioni opzionali

Legate all’im- Per indicare una caratteristica legata al par- Sul grado qualitativo ed altro fornite dalla norma

piego ticolare impiego mediante lettere

Per questi acciai non è rilevante la composizione chimica o la storia di produzione, l’unica necessità è la certifica-

zione della ditta produttrice che confermi una resistenza meccanica pari a quanto richiesto dal progettista.

Le indicazioni opzionali, come esplica il nome stesso, non sono obbligatorie ma forniscono proprietà degne di

essere riportate relativamente a quella lega.

Il numero caratteristico di impiego risulta invece essere fondamentale per la catalogazione tramite impiego.

Gli acciai non legati, appartenenti a questa categoria, sono quelli in cui non gli elementi di lega presenti non sono

stati aggiunti per modificare le proprietà meccaniche e/o chimiche (acciai legati), ma sono inevitabilmente conte-

nuti a basse concentrazioni nell’acciaio.

Essi derivano dal tipo di trattamento, dall’ambiente, dai rottami impiegati nella fusione e dai minerali di partenza.

S = acciai per impieghi strutturali seguito da un numero pari al carico unitario di snerva-

2

mento minimo prescritto, in N/mm ;

P = acciai per impieghi sotto pressione seguito da un numero pari al carico unitario di snerva-

2

mento minimo prescritto, in N/mm ;

L = acciai per tubi di conduzione seguito da un numero pari al carico unitario di snerva-

2

mento minimo prescritto, in N/mm ;

METALLURGIA – SECONDO PARZIALE 45 Gabriele Grezzana

E = acciai per costruzioni meccaniche seguito da un numero pari al carico unitario di snerva-

2

mento minimo prescritto, in N/mm ;

B = acciai per cemento armato seguito da un numero pari al carico unitario di snerva-

2

mento caratteristico, in N/mm ;

Y = acciai per cemento armato precompresso seguito da un numero pari al carico unitario di rottura

2

minimo prescritto, in N/mm

R = acciai per o sotto forma di rotaie seguito da un numero pari al carico unitario di rottura

2

minimo prescritto, in N/mm ;

H = prodotti piani laminati a freddo di acciaio ad alta seguito da un numero pari al carico unitario di snerva-

2

resistenza, per imbutitura a freddo mento minimo prescritto, in N/mm ;

D = prodotti piani per formatura a freddo

T = banda nera, stagnata e cromata (prodotti di ac-

ciaio per imballaggio)

M = acciai magnetici

GRUPPO 2: acciai designati in base alla composizione chimica (suddivisi in quattro sottogruppi).

La sigla non deve contenere tutti gli elementi di lega aggiunti al ferro, ma solamente quelli principali con le rela-

tive concentrazioni: in questo modo è possibile distinguere univocamente l’acciaio in meno caratteri possibili.

Nella terza sottocategoria (facilmente riconoscibile dalla X iniziale della sigla) non si usa il coefficiente moltiplica-

high speed .

tivo impiegato invece nella prima e nella seconda; nella quarta sottocategoria HS è l’acronimo di

2.1 Non legati (Mn<1%) C + tenore di carbonio x 100 (Es: C45)

2.2 Debolmente legati (Mn>1% Tenore di carbonio x 100 + simboli dei primi elementi in lega che caratteriz-

e/o altri elementi < 5%) zano l’acciaio + numeri indicanti i tenori medi moltiplicati per coefficienti di

comodo (*) (Es:36 CrNiMo4)

2.3 Legati (Mn e con te- X + tenore di carbonio x 100 + simboli degli elementi in lega che caratteriz-

≥1%

nore di almeno 1 elemento zano l’acciaio + tenori degli elementi non moltiplicati (Es: X5CrNi18-10)

> %5)

2.4 Rapidi HS + tenore di W + tenore di Mo + tenore di V + tenore di Co (Es HS 6525)

(*) Tabella dei coefficienti

Elemento Fattore

Cr-Ni-Mn-Si-W-Co 4 I tenori degli elementi di lega non sono espressi in semplici punti

Mo-Al-V-Be-Cu-Nb-Pb-Ta-Ti-Zr 10 percentuali, ma bensì tramite la loro % moltiplicata per il rispettivo

N-S-P-Ce 100 fattore di comodo dell’elemento. Questo principalmente per evitare

B 1000 di avere virgole nella sigla, che deve risultare più corta possibile, e

riportare numeri interi.

Gli acciai definiti “rapidi” sono una categoria particolare (da utensili) che potrebbe tranquillamente rientrare nel

primo gruppo: la loro composizione si distingue dagli altri per la presenza di elementi specifici

DIVISIONE IN BASE ALL’IMPIEGO

Classificazione generalmente adottata e seguita anche dalle norme per gli acciai, suddivisa in famiglie tramite l’im-

piego o la struttura:

• Acciai comuni da costruzione di uso generale (gruppo I)

• Acciai speciali da costruzione (gruppo II):

- da bonifica; - per molle; - da cementazione; - da nitrurazione.

METALLURGIA – SECONDO PARZIALE 46 Gabriele Grezzana

• Acciai inossidabili: duplex

- austenitici; - ferritici; - martensitici; - (bifasici).

• Acciai per utensili:

- per lavorazioni a caldo; - per lavorazioni a freddo; - rapidi e super rapidi (asportazione di truciolo).

26. ACCIAI DA COSTRUZIONE PER USO GENERALE

Acciai designati in base al primo gruppo, dai quali si ottengono prodotti semilavorati ottenuti per deformazione

plastica a caldo. Secondo le norme UNI EN 10027 e EN 10025:

- simbolo S: acciai per impieghi strutturali;

- simbolo E: acciai meccanici; 2

o R (prescritto per spessori 16 mm, in N/mm );

- carico unitario di snervamento minimo R h p

- J, K, L: resilienza rispettivamente di 27, 40, 60 joule;

- lettera o numero indicante la temperatura della prova di resilienza: R = temperatura +23 °C ± 5 °C; 0 = tempe-

ratura 0 °C, 2 = temperatura – 20 °C;

- G3 e G4 = stato di fornitura (a discrezione del produttore).

Per leggere le tabelle si tenga a mente che rispetto alle colonne si ha la designazione vera e propria mentre ri-

spetto la riga di una lega è riportata la composizione chimica: per questo aspetto le restrizioni sono molto blande

in quanto è indicato solamente il valore massimo del tenore degli elementi di lega.

METALLURGIA – SECONDO PARZIALE 47 Gabriele Grezzana

Questo perché per gli acciai del primo gruppo non è importante la composizione, ma solamente il rispetto di va-

lori minimi di carichi di snervamento e/o rottura (ricerca della lega più economica a parità di prestazioni).

Informazioni sulla qualità di base o disossidazione (calmato: quando l’ossigeno è stato riposso durante il processo

reagisce con il carbonio producendo effervescenza):

di affinazione; effervescente: se presente, l’O 2

FU: acciaio effervescente; FN: acciaio non effervescente/parzialmente calmato; FF: acciaio totalmente calmato.

Indicazioni aggiuntive nella sigla dell’acciaio (per la serie S):

Resilienza (vedi nota) minima garantita: J = K ≥27 J; K = K ≥40 J; L = K ≥60 J;

V V V

misurata a: R = 20 °C; 0 = 0 °C; 2 = -20 °C; … 6 = –60 °C

Stato di fornitura: N = normalizzato; M = da trattamento termomeccanico; Q = bonificato; G = grado qualitativo.

ESEMPIO: Acciaio S235J0 UNI EN 10025 2

S = acciaio da costruzione; 235 = carico unitario di snervamento minimo in N/mm a 20 °C; per spessore fino a 16

= resilienza minima K a 0°C di 27 J.

mm; J

0 V

METALLURGIA – SECONDO PARZIALE 48 Gabriele Grezzana

[Nota: la resilienza (K) è la capacità di un materiale di assorbire energia di deformazione elastica. Non va confusa

con la tenacità, che è invece la capacità di un materiale di assorbire energia dall'inizio della deformazione fino alla

rottura (quindi somma dell'energia di deformazione elastica e plastica)].

Acciai da costruzione di uso generale hanno impieghi sotto sollecitazione statica o dinamica; senza rottura o de-

formazione oltre valori prestabiliti; non si richiede composizione chimica specifica ma valori minimi delle proprietà

, R , L x f ) e di solito posti in opera

meccaniche. Progettazione secondo i metodi della meccanica classica: (R p m f sicur

senza trattamento termico. Sono gli acciai più usati (~ 85 % del totale).

PROPRIETÀ OTTENUTE SFRUTTANDO VARI MECCANISMI DI RAFFORZAMENTO

IN SOLUZIONE SOLIDA:

 Per elementi come carbonio, azoto e fosforo non possibile superare certi va-

lori di concentrazione (sotto il 0,5%) a meno di non ottenere acciai rigidi

(∆R ≥300 MPa) ma eccessivamente fragili.

d del carico unitario di snervamento in funzione degli elementi di

[Aumento

lega (per acciai con struttura ferritica)].

Per giungere ad una specifica resistenza senza dover controllare con molta

precisione il tenore degli elementi di lega precedenti è possibile impiegare

aggiunte di elementi differenti,

ma più costosi, come quelli ripor-

tati in basso (inclinazione rette mi-

nore).

[Relazione carico di snervamento–

temperatura di transizione in fun-

precipitation hardening

zione degli elementi di lega; =aggiunta preci-

grain refining

=affinamento

pitati che possono diminuire la tenacità,

grano che la incrementano]. 

Dal diagramma a destra si evince come nichel e manganese aumen-

tino la resistenza e la duttilità della lega; l’obiettivo è ottenere acciai

che ricadano nel campo tenace. è indice di elevata tenacità e caratteri-

La temperatura di transizione è legata anch’essa alla tenacità: una bassa T

t

stica molto ricercata.

AFFINAMENTO DEL GRANO E MICROSTRUTTURA

L’affinamento del grano deriva generalmente da condizioni di trasformazione microstrutturale e raffreddamento

controllati durante e dopo laminazione a caldo:

• affinamento per deformazione dell’austenite in regime di non-ricristallizzazione dinamica.

schematica dell’influenza

[Rappresentazione

della deformazione austenitica nei punti di nuclea-

zione per la fase α].

I nuovi grani nucleano ai bordi grano della fase

austenitica: a) condizione statica; b) austenite deformata; c) austenite ancora più deformata (incremento del nu-

mero di siti a bordo grano); d) austenite incrudita (nucleazione anche all’interno del grano).

Il rafforzamento è deciso tramite un affreddamento modulato (se eccessivamente lento consente ai grani di cre-

scere troppo) dopo deformazione plastica:

METALLURGIA – SECONDO PARZIALE 49 Gabriele Grezzana

• in aria (abbastanza lento);

in acqua, con velocità elevate ma non ancora sufficienti a temprare (la

dimensione del grano è determinata dalla regione in cui al raffredda-

mento si incrociano le curve CCT);

drastico, per temprare la parte superficiale del laminato e produrre un

effetto di “autorinvenimento” dovuto al calore successivamente

emesso dalla parte centrale (martensite rinvenuta in superficie, bainite-

perlite-ferrite a cuore), in questo modo si evita la formazione di crepe;

Nella regione di stabilità della bainite e martensite rinvenute si ha

buona resistenza a parità di tenacità. della composizione e del trattamento termo-meccanico

[Effetto

sulla resistenza ottenibile in acciai strutturali].

Sulle ascisse è riportato CE, carbonio equivalente (formula sotto),

un indice della quantità di elementi chimici mentre lungo le ordi-

nate è indicato il carico di snervamento.

CARBONIO EQUIVALENTE: Cr + Mo + V Ni + Cu

Mn + +

CE = C + 5 15

6

I valori riportati a lato coincidono con gli spessori del manufatto su

cui è operato il processo.

Oltre il valore di 0,5% di CE si ha eccessivo infragilimento

TMCR = trattamento termomeccanico: si gioca con la condizione di nucleazione dell’austenite in modo da avere

la ricristallizzazione in grani fini; TMCR+ acc. Cool = trattamento termomeccanico + raffreddamento accelerato;

QS = tempra.

Grazie a questi trattamenti è possibile ottenere proprietà meccaniche più elevate pur mantenendo sempre la

stessa composizione chimica.

DEI PRECIPITATI

DISPERSIONE Nella classe a maggiore resistenza si hanno gli acciai

high-strength low-alloy steels

) con

microlegati (HSLA:

aggiunte di Nb, V, Ti per formare dispersioni di fini

carbo-nitruri e meglio controllare la resistenza all’in-

grossamento del grano ad alta temperatura (fotografie).

METALLURGIA – SECONDO PARZIALE 50 Gabriele Grezzana

Nelle caselle con “-” non sono riportati valori in quanto questi acciai non possono essere usati per spessori troppo

elevati, non garantendone la resistenza. Spessori minori infatti, in seguito ad un trattamento termico o a solidifica-

zione, di raffreddano più rapidamente possedendo un cuore caldo di dimensioni più esigue: in questa maniera si

formano grani più piccoli e la resistenza risulta essere minore.

METALLURGIA – SECONDO PARZIALE 51 Gabriele Grezzana

SALDATURA DEGLI ACCIAI STRUTTURALI PER USO GENERALE:

Struttura ad alta temperatura, durante saldatura (grani sem-

pre più piccoli allontanandosi dalla zona saldata)

Struttura di acciaio saldabile: perlite immersa in ferrite anche

nella zona di saldatura raffreddata velocemente, simile a

quella originale e per questo permette la continuità nelle

proprietà meccaniche e nella lega.

Struttura di acciaio non saldabile: martensite, con molti ele-

menti di lega (austenitizzanti) le CCT sono spostate verso

destra quindi anche in seguito a raffreddamenti lenti non si

hanno strutture perlitiche a temperatura ambiente. Non es-

sendo possibile operare rinvenimento localmente la lega

presenterà una discontinuità nelle proprietà meccaniche (resistenza e tenacità).

Il carbonio equivalente, CE, permette di valutare in maniera rapida e approssimata la saldabilità dell’acciaio es-

sendo un parametro che raggruppa, pesandoli, gli effetti degli elementi di lega.

Valori di CE fino a 0,4% indicano acciai saldabili, oltre questo limite invece non è sempre facile avere zone di sal-

datura perlitiche. Un accorgimento per risolvere il problema è quello di preriscaldare i grani.

La saldabilità in genere decresce all’aumentare del numero e tenore degli elementi di lega. Per CE<0,4 si può con-

siderare l’acciaio come generalmente saldabile ma la valutazione dipende anche dal processo di saldatura, dagli

spessori, dal grado di vincolo del componente, dall’eventuale preriscaldo, ecc.

Gli aspetti critici per gli acciai strutturali di uso generale riguardano la formazione di cricche (a destra) e la trasfor-

mazione in costituenti fragili della ZTA (zona termicamente alterata). sinistra si ha una microfo-

[A

tografia del metallo base (lon-

tano dalla ZTA) con struttura

perlitica; a destra invece la ZTA

vicino alla linea di fusione (ac-

ciaio poco saldabile) con l’evi-

dente presenza di cricche e con-

seguente indebolimento].

25/05/2015

27. ACCIAI DA BONIFICA

Questi acciai possiedono un compromesso fra resistenza meccanica e tenacità; l’uso è riservato principalmente a

particolari di organi meccanici per i quali siano richieste buone proprietà di resistenza agli urti e alle vibrazioni

(per esempio bielle, perni, alberi, leve, ecc.).

In commercio ne sono disponibili molti tipi, al solo carbonio o con elementi di lega in maggiore o minore quantità

(Ni, Cr, Mo, Mn); in linea di massima si può dire che la percentuale di carbonio varia tra 0,21% e 0,60%.

Gli elementi leganti, oltre a permettere di diminuire la concentrazione di carbonio alla quale si ha la massima te-

nacità, hanno le seguenti funzioni: il nichel favorisce tenacità e temprabilità; il cromo favorisce la temprabilità; il

METALLURGIA – SECONDO PARZIALE 52 Gabriele Grezzana

molibdeno opera contro lo svilupparsi della fragilità al rinvenimento; il manganese: migliora la temprabilità; il va-

nadio: affina la grana cristallina.

Questi acciai di solito sono trattati con processo di tempra, in acqua o in olio, e rinvenimento a circa 620 °C.

Presenza progressiva di elementi di lega caratteristici: C (da C22 a C60), Mn, Cr, Cr-Mo, Cr-Ni-Mo.

Lungo l’asse orizzontale, al crescere della percentuale di

carbonio si ha resistenza crescente: nella prima zona

lath

( ) l’accomodamento della deformazione avviene per

place ) la defor-

scorrimento delle dislocazioni; nella terza (

mazione reticolare avviene per formazione di geminati.

Per quanto riguarda la zona intermedia si hanno mecca-

mixed

nismi ovvero un insieme alternato di entrambe le

possibilità. Per gli acciai al carbonio si lavora sempre con

basse percentuali e si ricade nel primo dominio.

Nelle figure seguenti sono rappresentati in dettaglio le due tipologie di deformazione, in relazione al tenore di

carbonio nell’acciaio: Lath

• Martensite “ ” a bastoncelli (generata per scorrimento)

in acciai basso C;

Plate

• Martensite “ ” lenticolare o geminata (generata per

geminazione) in acciai a medio C.

[La durezza della martensite cresce

con il tenore di carbonio poiché incre-

menta la distorsione reticolare]. 

Dal grafico a lato si può osservare

come per variazioni di concentrazione

da 0 a 0,6% si abbiano significativi in-

crementi di durezza, essa poi tende ad

un valore limite per tenori maggiori.

La scelta della composizione dell’acciaio da bonifica viene fatta in base ai seguenti fattori:

• resistenza richiesta (statica, a fatica); • tenacità (resilienza); • temprabilità (in relazione allo spessore); • costi mate-

riale.

La questione che corrisponde al collo di bottiglia tra tutte queste è la modalità di reazione della lega ad un rapida

raffreddamento: la diffusione di calore dal cuore del manufatto alla superficie, se non sufficientemente elevata,

impedisce una dispersione del calore sufficientemente rapida in modo da non creare gradienti termici sufficienti

ad indurre cricche superficiali o stati di tensione interni.

CICLO DI LAVORAZIONE STANDARD PER UN COMPONENTE IN ACCIAIO BONIFICATO:

1) Rigenerazione (quando necessaria): nel caso non si sia certi del tipo di trattamento termico che l’acciaio abbia

subito è possibile operare una normalizzazione seguita da una ricottura di lavorabilità. Negli ultimi tempi viene

eseguita sempre più di rado poiché grazie normative condivise i fornitori di acciaio sono obbligati a fornire certifi-

cati di composizione e storia termica del prodotto, evitando lo spreco di risorse dovuto alla rigenerazione.

METALLURGIA – SECONDO PARZIALE 53 Gabriele Grezzana

2) Sgrossatura: tramite degli appositi utensili si rimuove il materiale indesiderato dallo stampo o forma di partenza

in modo da ottenere la forma desiderata. Viene eseguita rapidamente, ma in modo tale la lasciare uno spessore

extra, chiamato sovrametallo, per evitare eventuali deformazioni o difetti superficiali durante la bonifica.

3) Bonifica: è composta da un trattamento termico di tempra e da un successivo rinvenimento, questo crea ten-

sioni e sollecitazioni sulla superficie riportando deformazioni più o meno accentuate.

4) Finitura/rettifica: in quest’ultimo passaggio le distorsioni vengono riprese rimuovendo l’extraspessore e ripor-

tando il manufatto alle forme e dimensioni desiderate.

La lavorazione dell’oggetto è divisa in due: la prima parte, durante la quale viene rimossa la quantità maggiore di

materia in quanto la lavorabilità risulta ancora elevata, viene eseguita prima della bonifica; la seconda a posteriori,

curando i dettagli ed eliminando le imperfezioni o deformazioni residue: in seguito alla tempra servono strumenti

più duri e le operazioni si fanno più difficoltose.

EFFETTO DEI PARAMETRI DI TRATTAMENTO TERMICO

In base alla composizione chimica (che decide la temprabilità dell’acciaio) la

tempra viene eseguita in acqua od olio: orientativamente, acciai al solo C in ac-

qua, acciai debolmente legati in olio.

delle principali proprietà meccaniche (resistenza R, resistenza

[Diagramma

0,2%, tenacità, duttilità, ecc.) per l’acciaio 36 NiCrMo4].

L’operazione di rinvenimento viene eseguito nell’intorno dei 600 °C che in figura

è indicato con un rettangolo verde; in base a questo valore di temperatura è

possibile regolare le proprietà dell’acciaio.

[Temprabilità degli acciai attraverso la prova Jominy (già

studiata)]. 

Le condizioni indicate nelle seguenti tabelle sono più limitanti e rigide di quelle degli acciai strutturali per uso ge-

nerale, che permettevano al produttore una maggior libertà sulla composizione chimica, soffermandosi solamente

sui carichi di snervamento e rottura.

METALLURGIA – SECONDO PARZIALE 54 Gabriele Grezzana

Da UNI EN 10083

La presenza di zolfo (S) migliora la lavorabilità: questa caratteristica è spesso sfruttata per effetti industriali.

METALLURGIA – SECONDO PARZIALE 55 Gabriele Grezzana

[Caratteristiche degli acciai in seguito a bonifica. La resistenza ottenibile dipende dallo spessore del manufatto:

oggetti più sottili risultano più facilmente temprabili per la velocità di dissipazione di calore da zona interna a su-

perficie, in questo modo la percentuale di martensite in tutto il volume aumenta e si producono valori elevati di

METALLURGIA – SECONDO PARZIALE 56 Gabriele Grezzana

rigidità. Dalla tabella emerge (caselle “-“) che non avrebbe senso impiegare spessori troppo elevati: il loro tratta-

mento termico sarebbe eccessivamente elevato e le caratteristiche non verrebbero mai pienamente sfruttate].

In base ai valori riportati nelle precedenti tabelle è possibile costruire aree, nei quali la composizione è ritenuta

accettabile, all’interno dei grafici, studiandone così il campo di durezza.

La curva a sinistra contiene i valori minimi di composizione e per questo

possiede valori caratteristici di durezza minori rispetto alla curva più

esterna, dove i tenori sono pari ai massimi ammessi dalla normativa. Tra le

due curve è contenuta l’area descritta precedentemente, nella quale ricade

la fascia di temprabilità.

[Esempi di curve di temprabilità Jomini per acciai da bonifica].

Non sono sufficienti le informazioni relative solamente

alla resistenza, ma risultano fondamentali anche quelle

riguardo la temprabilità: la prova di Jomini viene eseguita

a questo scopo.

Sorge il seguente problema: durante la prova sperimen-

tale, per permettere il confronto dei dati, vengono impiegati provini con spessore pari ad un pollice e geometria

cilindrica ben definita; i manufatti in esercizio invece possiedono dimensioni e forme che si possono allontanare di

METALLURGIA – SECONDO PARZIALE 57 Gabriele Grezzana

molto dal provino. Come è possibile determinare la temprabilità del pezzo reale pur eseguendo la prova di Jomini

su un oggetto differente (ma dello stesso acciaio ovviamente)?

La risposta risiede nell’impiego di diagrammi (abachi) come quelli riportati in seguito, dove è possibile leggere la

corrispondente distanza dall’estremità temprata tra il pezzo reale e il provino di Jomini.

CORRISPONDENZA TRA DIAMETRO DEL PEZZO E POSIZIONE SU PROVINO JOMINI

A seconda del tipo di raffreddamento eseguito (in ac-

qua o in olio) sono disponibili diagrammi differenti.

L’utilità di questi grafici è molto elevata, permetto in-

fatti di conoscere l’equivalente distanza dalla superficie

temprata nel provino di Jomini data quella relativa al

provino reale; una volta ottenuto questo valore si uti-

lizza il grafico della prova (pagina precedente) per co-

noscere la temprabilità.

[Diagrammi di conversione per barre tonde raf-

freddate in acqua (sopra) e per barre tonde raf-

freddate in olio (a destra)].

Durante questa conversione è presente un fattore

di incertezza relativamente al valore corrispon-

dente ed un fattore di imprecisione per quanto

concerne la distanza dall’asse del manufatto cilin-

drico: non si intersecano curve, bensì aree (incer-

tezza), inoltre ognuna di queste indica una posi-

zione approssimata dall’asse cilindrico.

Punti di riferimento del manufatto: a) superficie; b) ¾ del raggio e c) centro.

Nel caso l’oggetto non possieda una geometria cilindrica ma abbia una sezione rettangolare, a monte dell’utilizzo

dei precedenti diagrammi bisogna impiegare un abaco di conversione che permetta di ottenere i valori di diame-

tro corrispondente conoscendo larghezza e spessore del manufatto. per il passaggio da un profilo rettangolare

[Abaco

al profilo tondo].

In questo caso il processo da seguire per determi-

nare la lavorabilità è quindi:

- lettura dell’abaco di conversione da profilo rettan-

golare a tondo per il diametro corrispondente;

- utilizzo del diagramma di conversione da diametro

del manufatto e provino di Jomini;

- impiego del diagramma della prova di Jomini per

la temprabilità.

29. ACCIAI PER MOLLE

Le proprietà richieste dagli acciai per ottenere questo tipo di prodotto sono:

• tensione di snervamento vicina alla tensione di rottura;

METALLURGIA – SECONDO PARZIALE 58 Gabriele Grezzana

• resistenza alla fatica, ottenuta con struttura omogenea di almeno 80% di martensite al cuore (quindi l'acciaio è

molto temprabile).

Con le leghe al solo carbonio, in concentrazione supe-

riore allo 0,40%, si hanno gli acciai armonici, per ce-

mento armato precompresso, funi (in questo caso

vengono patentati), strumenti musicali.

Per usi più impegnativi si aggiunge soprattutto il sili-

cio fino al 2%, che rafforza ma infragilisce; il cromo

aumenta la temprabilità, il nichel aumenta la tenacità

(tabelle allegate). Si esegue sempre il rinvenimento a

450 °C così che i carburi precipitino ma non inizino a

coalescere.

La qualità di un acciaio per molle viene spesso indica-

tivamente espressa dal fattore:

R s

R m

dove R indica il carico di snervamento (dominio ela-

s il carico a rottura (dominio elastico +

stico) mentre R m

plastico).

Questo rapporto vale 0.6-0.7 per gli acciai da bonifica e 0.85-0.90 per gli acciai per molle.

Per ampliare particolarmente il comportamento elastico (alto carico di snervamento) è possibile lavorare con due

parametri caratteristici della lega di ferro:

• composizione chimica: aumentando il tenore di C (da 0.55 a 1%) cresce il resistenza e i carichi supportati prima di

rottura, invece presenza di Si e di altri elementi migliora la resistenza allo snervamento e al rinvenimento;

• trattamenti termici: modificando la struttura interna e superficiale rendendola più o meno duttile o rigida; pos-

sono influire molto sulle caratteristiche dell’acciaio ma vanno eseguite con attenzione (precipitazioni fasi).

Le barre di acciaio acquistate sono pretemprate, rinvenute e rifinite; per ottenere delle molle ad elica si esegue un:

- avvolgimento a freddo per filo di diametro limitato (orientativamente inferiore a 5 mm) e pretrattato;

- avvolgimento a caldo (deformazione plastica) e poi trattamento termico o processo in un unico stadio.

L’avvolgimento viene eseguito arrotolando il filo di acciaio attorno ad uno

stampo cilindrico avente diametro pari a quello dell’elica.

Le molle impiegate nelle sospensioni delle vetture possiedono diametri non

eccessivamente grandi (15-18 mm) e durante il trattamento termico si tem-

prano anche all’interno (diffusione possibile e sufficientemente elevata).

Per le molle di grandi dimensioni (treni) vengono impiegati acciai appositi, i

quali, essendo più temprabili, consentono di avere dissipazione rapida di

calore dal cuore verso la superficie, impedendo la formazione di cricche.

[Dimensione massima di barre temprabili a cuore per diversi acciai (52 HRC)].

SCELTA DELLA TEMPERATURA DI RINVENIMENTO:

Durante il trattamento termico di rinvenimento si cercano di seguire le seguenti indicazioni:

• privilegiare elevati valori di R (R /R );

s s m

METALLURGIA – SECONDO PARZIALE 59 Gabriele Grezzana

• conservare una sufficiente tenacità;

• evitare l’intervallo di infragilimento (450-550°C) durante il quale segregano composti che infragiliscono l’acciaio.

range

Per non ricadere nel di temperature pericoloso si tende a trat-

tare l’acciaio oltre i 550 o sotto i 450 °C, in caso contrario si otterrà la

fragilità da rinvenimento.

cosiddetta

[Legenda: Acciaio 5155: 0,56 C; 0,21 Si; 0,79 Cr; Acciaio 9261: 0,58 C;

2,20 Si; 0,21 Cr; Acciaio 9661(V): 0,60 C; 1,75 Si; 0,16 Cr 0,22 V]. 

L’andamento della curva a lato esplicita come all’aumentare della tem-

peratura di rinvenimento si ottengano valori di durezza sempre minori

(reticolo possiede più mobilità e si riorganizza in strutture più stabili e

duttili).

Osservando le differenti composizioni dei tre acciai nelle curve si deli-

nea il seguente fenomeno: la lega perde meno resistenza a parità di

incremento di T di rinvenimento se contiene elementi in percentuali si-

gnificative di silicio e/o vanadio.

Per fare un esempio, tra la curva dell’acciaio 5155 e quella del 9261 il

tenore di silicio è stato decuplicato, comportando un aumento di du-

rezza di circa 100 punti Vickers alla stessa temperatura.

Nella terza lega (9661(V)) è presente anche il vanadio, il quale produce effetti simili al silicio: generazione di car-

buri molto fini derivati dalla decomposizione della martensite.

Al crescere della durezza si ha una forte perdita di tenacità, solo in parte compensata dalla presenza del Si.

Nel grafico a sinistra si osserva come aumentando il tenore di silicio si

abbia un incremento significativo si tenacità e resistenza a parità di

temperatura di rinvenimento.

Fragilità da rinvenimento (grafico a lato): un infragilimento che si manifesta

nell’intervallo 450-550 °C in acciai da bonifica, soprattutto se contenenti Cr,

Mn, Ni e impurezze quali P, Sn, Sb, As che tendono a precipitare come nuove fasi a bordo grano rendendo il reti-

colo significativamente più debole (noto anche come malattia di Krupp). Il molibdeno (Mo) presente in lega tende

a contrastare questo fenomeno.

Nella scelta della temperatura di rinvenimento si evita l’intervallo critico che altrimenti sarebbe di riferimento per

l’impiego come elementi elastici.

METALLURGIA – SECONDO PARZIALE 60 Gabriele Grezzana

Dalla durezza dipende anche la Temperatura di transizione (resilienza KV)

60SiCr8 (L:40 HRC; H: 45 HRC) 39NiCrMo3 (L:40 HRC; H:45 HRC)

Per condizioni di lavoro statiche si possono sacrificare resistenza e tenacità per aumentare la durezza (grafico di

sinistra). Nel grafico di destra è presente una curva di transizione molto piatta e si lavora in campo fragile.

RESISTENZA A FATICA

Questa proprietà delle leghe (e metalli) è dipendente da:

• durezza/resistenza statica dell’acciaio;

• tenacità (tolleranza ai difetti);

• tensioni residue superficiali (pallinatura eventuale).

Un modalità molto efficace per incrementare la resistenza a fatiche del manufatto è quella di modificare la sua

superficie: in questo modo si evita la formazione (e successiva) crescita di cricche e si eliminano imperfezioni e

accumuli si deformazioni (piani di scorrimento che portano a cricche); per ottenere ciò si esegue la pallinatura.

PALLINATURA

Questo procedimento vede la superficie sottoposta all’impatto continuo di palline rigide, in modo simile alla sab-

biatura ma i corpi sferici in movimento sono più grandi (acciai duri) e non vengono impiegati per levigare (abra-

sione), ma per incrementare la resistenza. La pallinatura agisce provocando alterazioni superficiali di tre ordini:

- modifica della rugosità superficiale rendendola più liscia e luminosa (manufatto trattato è riconoscibile);

- incrudimento localizzato superficiale del metallo indotto dalla deformazione plastica;

- accumulo di uno stato di sforzo residuo superficiale di compressione dovuto al recupero elastico sottostante.

Quando il pallino rimbalza sulla profilo dell’og-

getto induce una deformazione: quella plastica

rimane mentre quella elastica viene recuperata,

andando a chiudere la parte deformata plasti-

camente.

Ripetendo questa azione numerose volte si ot-

tiene una zona superficialmente compressa

dagli strati sottostanti.

Dall’immagine di destra, dove è riportato l’andamento dello sforzo residuo in relazione alla distanza dalla superfi-

cie, si nota come al di sotto di questo stato di compressione ne sia presente uno interno trazionato. In questa ma-

niera le eventuali cricche trovano più difficoltà nel crescere e la resistenza a fatica cresce (grafico a pagina se-

guente).

METALLURGIA – SECONDO PARZIALE 61 Gabriele Grezzana

di resistenza a fatica in seguito ad un

[Incremento peened

)].

trattamento di pallinatura (

L’energia cinetica media posseduta dai pallini deve essere ben

dosata: troppo bassa non indurrebbe una compressione localiz-

zata e non porterebbe ad alcun guadagno di resistenza, troppo elevata danneggerebbe la superficie producendo

l’effetto opposto a quello desiderato. Il valore ottimale è deducibile dal grafico a destra nel punto di ascissa che

corrisponde al massimo, all’incirca 0.15 per ogni acciaio.

CRESCITA DEL GRANO CRISTALLINO

Questo fattore è molto importante nei processi a singolo stadio in cui la barra viene portata a temperature molto

alte (anche se per tempi brevi) per la formatura della molla e la tempra.

Il diagramma a lato ci fornisce la dimensione del grano in rela-

zione alla temperatura alla quale il materiale è stato posto; il

diametro dei grani è espresso come quantità per unità di su-

perficie (densità) e non in termini classici di lunghezza.

Un numero più elevato di questa densità indica quindi grani

più fini.

Gli acciai legati contengono elementi affinanti, quali particelle

precipitate che impediscono la crescita dei granulare all’interno

di un intervallo di temperature, e quindi possiedono valori più

elevati di densità di grani.

Gli elementi microleganti (Nb-V) migliorano quindi la resi-

stenza alla crescita del grano, ma oltre certi valori di T i precipi-

tati tornano in soluzione) e i grani iniziano a crescere ugualmente, riportando la situazione identica a quella di le-

ghe senza questi elementi (unica retta a destra nel grafico).

DECARBURAZIONE SUPERFICIALE

La decarburazione è penalizzante soprattutto per la resistenza a fatica, gli acciai contenenti Si e Cr ne sono parti-

colarmente sensibili. Sono riportate quattro fotografie di sezioni

di un acciaio (la regione nera a sinistra di

ognuna di esse è l’ambiente circonstante).

[A sinistra acciaio 60SiCr8 trattato a 850°C

per 30 min, a destra lo stesso acciaio trattato

METALLURGIA – SECONDO PARZIALE 62 Gabriele Grezzana

a 850°C per 4 ore; la prima zona interessata è la ferrite granulare superficiale].

[Stesso acciaio delle immagini precedenti

trattato a 1050°C per 30 min (a sinistra) e a

1050°C per 1 ora (a destra)].

Basso Cbassa durezza della marten-

sitebassa resistenza.

Aumentando il tempo di permanenza e la

temperatura si osserva la decarburazione

(perdita di carbonio) dell’acciaio, a partire dalla superficie fino alle zone interne.

Come prima zona, la perdita di carbonio (che si lega all’ossigeno nell’aria lasciando superficie sotto forma di CO )

2

interessa i bordi grano (ferrite), processo di fessurazione, ed in seguito anche i grani stessi (perlite): questo perché

la resistenza della ferrite è minore.

30. CEMENTAZIONE E NITRURAZIONE

CEMENTAZIONE E ACCIAI DA CEMENTAZIONE (UNI EN 10084)

La cementazione (nome completo carbocementazione) è un processo metallurgico utilizzato per aumentare la

resistenza all'usura degli acciai.

L'arricchimento superficiale in carbonio (circa 0,8%), e la conseguente formazione di carburi, è utile per conferire

resistenza all'usura e rafforzamento in superficie, unite a tenacità interna (per esempio per denti di ingranaggi).

È conveniente eseguire questa operazione su acciai dolci portati oltre una temperatura di circa 950 °C, in quanto

l'austenite solubilizza meglio il carbonio e questo migra oltre la superficie per diffusione, quindi la legge che ne

regola il meccanismo è la seconda legge di Fick.

Importanti sono inoltre parametri come la temperatura, il tipo di reticolo metallico, la differenza di concentrazione

tra ambiente esterno e interno (quindi si usa acciaio dolce con C<0,2%, così che la forza motrice dovuta al gra-

diente di concentrazione sia la massima possibile) e l'estensione dei giunti dei grani (attraverso i quali gli atomi

diffondono meglio).

Esistono diversi metodi di cementazione, in base alla sostanza cementante, ma

si sottolinea che l'ambiente è sempre gassoso, in quanto vi è sempre la neces-

sità del trasporto operato dall'ossido di carbonio. A fine trattamento termico si

otterrà uno strato superficiale altamente cementato e duro, resistente all’usura

e alla formazione di cricche; inoltre si potrà eseguire un trattamento di tempra

per conservare la tenacità al cuore.

Se il tenore di carbonio risulta eccessivamente alto (tratto iniziale della curva 2)

si ha la formazione di precipitati di cementite secondaria, i quali indeboliscono

la struttura.

È possibile introdurre C all’interno della lega per tre strade, a seconda della fase a contatto del manufatto:

FASE SOLIDA (in cassetta)

IN

Il pezzo è introdotto in una cassetta e ricoperto di cemento solido (85% carbone vegetale e 15% di carbonato di

bario e agenti catalizzatori), quindi portato a una temperatura accettabile in considerazione della necessaria velo-

cità di esecuzione e del non eccessivo ingrossamento della grana cristallina.

È un processo semplice ma non particolarmente efficace e per questo eseguito quando sono richiesti pochi og-

getti carbonati. La sostanza cementante è il CO, che viene prodotto per reazione del carbone con l'ossigeno:

→ 2CO

2C + O 2

METALLURGIA – SECONDO PARZIALE 63 Gabriele Grezzana

Oppure si utilizzano sostanze attivanti come il carbonato di bario e il carbonato di calcio. Alla temperatura di 900-

920 °C i carbonati si decompongono in ossidi e anidride carbonica:

→ BaO + CO2 CaCO → CaO + CO2

BaCO 3 3

La reazione è immediata per il carbonato di calcio, che quindi fornisce la CO necessaria ad iniziare il processo,

2

mentre è lenta e graduale per il carbonato di Bario che quindi serve a fornire CO a man mano che la precedente

2

messa in libertà reagisce con il carbonio del carbone di legna presente nella cassetta

viene consumata. La CO 2

secondo l'equilibrio di Boudouard: C + CO ⇄ 2CO

2

che in queste condizioni (temperatura di 900 °C e pressione di circa 1 atm) è spostato verso destra e l'atmosfera

gassosa si riempie di ossido di carbonio.

L'ossido di carbonio ottenuto nei modi appena descritti costituisce l'agente cementante diretto: al suo contatto

con la zona superficiale dell'acciaio, che non contiene carbonio libero, l'equilibrio precedente si sposta nuova-

mente verso sinistra e il carbonio formatosi si scioglie e diffonde in modo interstiziale nella fase austenitica.

Il trattamento avviene a circa 900 °C, quando l'acciaio è in campo Se alcune zone non devono essere cemen-

γ.

tate, vengono ricoperte con rame elettrodepositato o con argilla.

FASE GASSOSA

IN

È il metodo di cementazione più diffuso e più facile da controllare, nonché l'unico utilizzato attualmente.

L'agente cementante è ossido di carbonio creato dalla combustione di gas naturale, metano, etano, propano, bu-

tano o carbone a circa 900 °C, secondo la reazione:

2CO → C + CO 2

Altro carbonio deriva dalla piroscissione degli idrocarburi saturi parzialmente dissociati. Il potenziale di carbonio

(concentrazione in prima approssimazione) dell'atmosfera deve essere sempre maggiore del tenore di tale ele-

, H O e H .

mento nel pezzo trattato, altrimenti prevale la decarburazione promossa da CO 2 2 2

Inizialmente esso è pari a quello di saturazione dell'austenite alla temperatura di processo (fase di cementazione

attiva); in seguito si abbassa la concentrazione di C dell'atmosfera al valore che si vuole avere sulla superficie del

pezzo, così che l'eccesso di C diffonda verso l'interno (periodo di diffusione).

FASE LIQUIDA (in bagno di sali)

IN

Questa possibilità è la più pericolosa dal punto di vista ambientale, a causa degli agenti cementanti impiegati.

CO ) ad una temperatura compresa tra 870 e

Si circonda il pezzo di cemento liquido (miscela di NaCl, NaCN e Na 2 3

950 °C; vi è anche dell'azoto che, se in modesta quantità, aiuta a indurire lo strato superficiale .

Il cianuro tende ad ossidarsi alla superficie per dare cianato:

→ 2NaCNO

2NaCN + O 2

Il cianato tende quindi a decomporsi alla superficie:

CO + 2CO + 4N 2CO → CO + C

8NaCNO → 4NaCN + 2Na 2 3 2

Oltre al C si ha diffusione di azoto (carbonitrurazione).

È un processo più veloce, preciso e meno influenzante la dimensione della grana cristallina e l'aspetto superficiale

del pezzo trattato. Si usa per ingranaggi di biciclette e motociclette, catene, parti di computer, armi, strumenti di

precisione.

METALLURGIA – SECONDO PARZIALE 64 Gabriele Grezzana

CICLO DI LAVORAZIONE STANDARD PER UN COMPONENTE DA CEMENTARE:

1) Rigenerazione (quando necessaria): non più in uso, vedi pagina 49 per ulteriori informazioni;

2) Sgrossatura;

3) Cementazione: trattamento termochimico

4) Bonifica (tempra e rinvenimento a bassa temperatura);

5) Finitura/rettifica: a causa dei trattamenti termici precedenti il

pezzo subisce deformazioni e deve essere rifinito nei dettagli per

ottenere la forma finale desiderata. Per questo motivo la finitura

non viene eseguita prima della cementazione.

Nel grafico a lato sono introdotti i termini spessore efficace e totale:

il primo coincide con lo spessore dell’oggetto lungo il quale si ha

durezza superiore a 550 HV mentre il secondo corrisponde alla di-

stanza tra superficie e punto in cui la concentrazione di carbonio

(durezza) ritorna identica al tenore di C nella lega precedentemente

al trattamento. Quest’ultimo valore è più incerto

dello spessore efficace in quanto la

concentrazione di carbonio (durezza)

tende asintoticamente al valore di

base. relativa alle composizioni

[Tabella

chimiche dei principali acciai da boni-

fica destinati a cementificazione: i te-

nori rimangono intatti nel cuore di un

manufatto che ha subito questo trat-

tamento].

METALLURGIA – SECONDO PARZIALE 65 Gabriele Grezzana

La temperatura di cementazione deve essere la più elevata possibile per permettere la diffusione rapida del car-

bonio nella superficie; d’altra parte trattamenti termici così forti possono avere un effetto negativo sulla regione

interna dell’oggetto. Si deve quindi attuare un compromesso tra cuore e superficie oppure concentrarsi diretta-

mente solo su una delle due suddivisioni del manufatto. ; resta da decidere se questo punto sia relativo

La tempra viene eseguita a circa 50 °C sopra il punto critico A

3

all’acciaio che costituisce il cuore o la superficie. Nell’immagine seguente si hanno le principali possibilità:

a) partendo dalla T di cementazione l’acciaio viene direttamente temprato, non è l’operazione ottimale dal punto

di vista metallurgico ma permette di risparmiare soldi e tempo in quanto il pezzo è già caldo in seguito al prece-

dente trattamento e non si raffredda tra i due;

b) partendo dalla T di cementazione si

esegue un raffreddamento in forno, più

lento del precedente, fino ad una tempe-

) tra quella del punto

ratura intermedia (T m

critico della superficie e del nucleo (com-

promesso);

c) alla cementazione segue un raffredda-

mento, quindi il pezzo viene scaldato fino

del nucleo (T ) e nuo-

al punto critico A

3 t,n

vamente raffreddato celermente (tempra);

d) come il punto c) ma si giunge fino alla temperatura intermedia tra i due punti critici;

e) come il punto c) ma si giunge fino alla temperatura del punto critico A relativo alla superficie (T );

3 t,s

f) operazione di doppia tempra: la prima tempra raggiunge il punto critico del nucleo, surriscaldando la superficie,

la seconda invece è eseguita in maniera più rapida e al punto critico della superficie. Quest’ultimo riscaldamento

produce nella zona interna un effetto paragonabile a quello di un rinvenimento; complessivamente è di difficile

esecuzione ma rappresenta il processo ottimale;

g) come il punto d) ma il raffreddamento seguente viene fermato ad una temperatura di poco superiore a quella

della formazione di martensite, per eliminare le tensioni residue.

Dopo cementazione e tempra si può praticare un rinvenimento a temperatura molto bassa (250 °C) visto che il

cuore non è molto distorto (tenori di C non elevati nell’austenite) e sulla superficie si vuole privilegiare la durezza.

NITRURAZIONE E ACCIAI DA NITRURAZIONE (UNI EN 10085)

Proprio come la cementazione, la nitrurazione è un processo industriale di indurimento superficiale degli acciai.

L’azoto è stato precedentemente riportato come elemento nocivo gassoso, ma può anche essere inserito voluta-

mente negli acciai: la formazione spontanea di nitruri aumenta la durezza della lega

Il procedimento consiste nel portare l'acciaio a 500 °C circa (il tempo di trattamento è quindi lungo per consentire

la diffusione) per introdurvi azoto atomico, il quale viene assorbito dalla ferrite superficiale del metallo e forma

N, molto duri e che distorcono il reticolo cristallino.

nitruri, prevalentemente Fe

4

Il meccanismo di rafforzamento che quindi interviene è identico a quello di cementazione: inserimento di distor-

sioni reticolari per fasi precipitate che impediscono il facile movimento delle dislocazioni.

Lo spessore dello strato indurito è minore di quello ottenuto per carbocementazione, ma in compenso la sua du-

rezza, che varia a seconda della composizione dell'acciaio, può raggiungere 1000 HV e rimanere stabile fino a

temperature di 600-700 °C.

METALLURGIA – SECONDO PARZIALE 66 Gabriele Grezzana

I vantaggi apportati dalla nitrurazione sono i seguenti:

- durezza superficiale e resistenza all'usura;

- stabilità al rinvenimento e quindi durezza a caldo;

- resistenza alla fatica e agli intagli;

- resistenza alla corrosione;

- stabilità dimensionale.

I pezzi possono essere sottoposti al tratta-

mento completamente finiti perché il pro-

cesso, avvenendo a bassa temperatura, non

provoca tensioni e deformazioni.

Non è possibile utilizzare l'azoto molecolare, eccessivamente ingombrante, per cui si ricava l'azoto atomico dalla

dissociazione termica dell'ammoniaca o dalla diffusione da bagni di sali di CN (figura). Gli atomi di azoto quindi

diffondono nella zona interstiziale fino a quando non incontrano elementi di lega a cui legarsi (Cr in figura).

NITRURAZIONE IN FASE GASSOSA

Il processo di nitrurazione avviene in forni con ambiente in corrente di ammoniaca parzialmente dissociata o pro-

+ che investono la superficie da.

cessi di nitrurazione ionica/al plasma in cui si mettono a disposizione ioni N

adsorbimento di NH , decomposizione di ammoniaca in azoto e idro-

Il processo consta dei seguenti passaggi: 3

geno, diffusione di azoto atomico in superficie, arricchimento di N nella soluzione solida, formazione di nitruri:

Fe N (Fe N, Fe N) o preferibilmente con elementi di lega ed infine ulteriore diffusione di N.

x 4 2-3

Può anche avvenire la diffusione di idrogeno date le alte temperature, ma questo spesso se ne esce dall’acciaio

sotto forma gassosa poiché il trattamento dura molto tempo.

La dissociazione termica dell’ammoniaca, catalizzata dall’acciaio, produce:

⇄ 2N + 3H

2NH 3 2

quindi è l’azoto atomico che diffonde nel ferro. Superati i limiti di solubilità si formano i nitruri di ferro: il primo tra

questi è quello a minor contenuto di azoto, ovvero il Fe N, all'aumentare del tenore di azoto assorbito si forma il

4

N. La durezza e la profondità dello strato sono legate alle variabili che regolano tale processo, quali la

nitruro Fe

2

composizione dell'acciaio, il potenziale nitrurante (legato al grado di dissociazione dell'ammoniaca), la tempera-

tura di trattamento (influenza il grado di dissociazione) e il tempo di permanenza.

Il potenziale nitrurante (grado di dissociazione dell'ammoniaca) influenza lo spessore e la morfologia della coltre

bianca (strato di Fe N e Fe N) presente sulla superficie del pezzo; tale strato cede l'azoto all'acciaio sottostante

2 4 per generare la diffusione dell'azoto nella matrice metallica.

Lo strato di coltre bianca può essere eliminato con la rettifica;

altrimenti, con l'introduzione di una fase a potenziale nitru-

rante ridotto (si aumenta il grado di dissociazione) prima

della fine del processo si può ridurre o eliminare totalmente

la coltre bianca.

bianca: nitruri (Fe N) + nitruri (Fe N) + nitruri

ε γ′

[Coltre 2 4

(Fe, Cr, Mo); questa è divisa in zona porosa, dove il tenore di

N è elevato, e zona compatta. Questi strati sono fragili e si

METALLURGIA – SECONDO PARZIALE 67 Gabriele Grezzana

scheggiano facilmente. Zona di diffusione: soluzione solida di Fe-α (ricca in N) + nitruri (Fe, Cr, Mo)].

Considerato il costo elevato, si nitrurano solo acciai dove il risultato sia tale da compensare la spesa: quindi quelli

contenenti cromo, molibdeno e alluminio (<1%), che formano nitruri più efficaci di quelli di ferro.

Si preferiscono inoltre acciai bonificati perché è necessaria tenacità al cuore del pezzo e inoltre la struttura fine

creata con la bonifica facilita la diffusione dell'azoto.

Gli utilizzi più frequenti riguardano calibri, riscontri, ingranaggeria di precisione, fasce elastiche, alberi a camme e

a gomiti per la nitrurazione in fase gassosa; utensili di acciaio rapido a profilo costante (creatori, maschi, pettini,

punte), acciai inossidabili o per valvole austenitici, alcuni acciai per stampi per la nitrurazione in bagno di sale.

DIAGRAMMA DI FASE DEGLI ACCIAI ALL’AZOTO

Per accelerare la nitrurazione si tende a raggiungere la fase

gamma del ferro poiché in essa l’azoto atomico si muove me-

glio nelle zone interstiziali.

Il processo avviene sempre a temperature non superiori a

590°C per evitare l’eutettoide + dove è presente la fase

α γ′

chiamata braunite, caratterizzata da estrema fragilità.

Per ovviare questo problema, durante la nitrurazione si lavora a

circa 550°C per tempi molto lunghi (decine di ore) per permet-

tere una diffusione di azoto in quantità sufficiente.

CICLO DI LAVORAZIONE STANDARD PER UN COMPONENTE DA NITRURARE:

1) Rigenerazione (quando necessaria);

2) Sgrossatura;

3) Bonifica;

4) Finitura/rettifica;

5) Nitrurazione: eseguita a temperatura più bassa di quella di bonifica; ciò permette di non alterare la struttura e

modificare le dimensioni dell’oggetto;

6) Eventuale rimozione della coltre bianca se non desiderata. Esempi di micrografie di nitrurazione

gasso sa su Fe puro.

ricotto: sotto lo strato dei

[Acciaio

composti, la nucleazione dei nitruri av-

viene prevalentemente a bordo grano].

METALLURGIA – SECONDO PARZIALE 68 Gabriele Grezzana

incrudito: sotto lo strato dei

[Acciaio

composti, di spessore inferiore, la nu-

cleazione avviene in modo diffuso anche

all’interno dei grani per la maggiore

densità di difetti].

Nelle microfotografie precedenti si osserva come la nucleazioni di nuove fasi (nitruri) avvenga ai bordi grano; con

il tempo e l’aumento di incrudimento (si introducono nell’acciaio dislocazioni) i nitruri nucleano anche dal centro

dei grani.

Risulta quindi importante avere elementi per evitare la fragilità da rinvenimento (Mo) visti i lunghi tempi di perma-

nenza alle temperature critiche; inoltre l’efficacia della nitrurazione è migliore negli acciai con elementi di lega che

formano nitruri facilmente (Al, Cr).

METALLURGIA – SECONDO PARZIALE 69 Gabriele Grezzana

Le percentuali di cromo e alluminio sono sostanziali poiché formano nitruri utili alla durezza superficiale; il molib-

deno invece evita la nucleazioni di fasi deboli a bordo grano.

CONFRONTO NITRURAZIONE–CEMENTAZIONE

Confrontando le due tecniche appena descritte si può notare come lo spessore efficace nitrurato sia molto più

duro, ma al contempo sottile, di quello cementato: il primo raggiunge il decimo di millimetro mentre il secondo

arriva normalmente al millimetro. Lo stesso ragionamento vale per lo spessore totale.

Lo strato nitrurato riduce il coefficiente di attrito e permetto lo scorrimento facilitato di corpi o altri superfici lungo

di esso solamente nel caso in cui le forze di contatto siano distribuite uniformemente; viene per questo impiegato,

ad esempio, per le guide con slitte e le forcelle delle moto nei foderi.

La resistenza a fatica di un acciaio, quando nitrurato, migliora significativamente, ma solo se i carichi non sono

concentrati; quando quest’ultima eventualità si presenta è preferibile impiegare acciai cementati poiché, pur es-

sendo meno prestanti in condizioni estreme di pressione generalizzata, resistono molto bene a sforzi localizzati.

Per questo motivo gli acciai cementati sono sfruttati largamente per la produzione di ingranaggi e catene, oggetti

di uso comune che subiscono costantemente sforzi elevati sotto forma di pulsioni (fatica).

28/05/2015

31. ACCIAI PER UTENSILI

Per le applicazioni meno severe si possono usare acciai al solo carbonio, altri-

menti è necessario aggiungere elementi leganti per aumentare la durezza.

Una concentrazione dello 0,6% di carbonio potrebbe già offrire la massima

durezza, tuttavia parte del C si combina con altri elementi presenti e quindi

può essere necessario aumentarne il contenuto.

I tipici elementi di lega che vengono aggiunti negli acciai di questa categoria

sono:

• Manganese: ha azione disossidante, migliora la temprabilità e facilita la for-

mazione di carburi;

• Silicio: ha azione disossidante, aumenta la resistenza all'ossidazione;

• Cromo: aumenta la temprabilità, stabilizza i carburi;

• Vanadio: previene l'ingrossamento del grano, utile per avere durezza ad alta temperatura;

• Tungsteno e molibdeno: utili per la resistenza all'usura alle alte temperature;

• Cobalto: presente negli acciai super-rapidi.

Data la presenza di carburi di difficile soluzione, la tempra è eseguita ad alta temperatura; si deve comunque valu-

tare bene quest'ultimo processo termico in quanto, se eseguita a temperatura troppo bassa, il carbonio non si

scioglie e si forma martensite povera; se troppo alta, un'eccessiva quantità di carbonio entra nell'austenite stabiliz-

zandola fino a bassa temperatura.

Nel caso di acciai per lavorazioni a caldo e rapidi, si ha un indurimento secondario aumentando la temperatura di

rinvenimento oltre i 400 °C.

Più in generale si richiede a questi acciai di soddisfare i seguenti requisiti principali, non sempre insieme per

un’unica applicazione (stampo):

• Durezza/indeformabilità;

METALLURGIA – SECONDO PARZIALE 70 Gabriele Grezzana

• Resistenza alla fatica meccanica;

• Tenacità, resistenza agli urti;

• Stabilità termica della struttura e stabilità dimensionale;

• Resistenza alla fatica termica;

• Resistenza alle alte temperature ed al creep;

• Resistenza all’ossidazione;

• Lavorabilità alle macchine utensili;

Risulta comunque inevitabile la formazione di cricche dopo un utilizzo ripetuto dell’utensile: le pressioni e gli

sforzi interni causano fatica meccanica, inoltre, nel caso in cui esso vada a contatto con del materiale molto caldo

o fuso (stampo) può subire anche fatica termica. L’oggetto quindi si dilata in maniera diversa dallo stampo (coeffi-

cienti termici differenti) e si creano sforzi ripetuti che nel tempo portano a rottura.

Da tutte queste considerazioni deriva la necessità di operare un grande numero di compromessi: è impossibile

ottenere proprietà ottimali secondo tutti gli aspetti precedentemente elencati quindi si preferisce migliorare al-

cune caratteristiche dell’acciaio a discapito di altre, a seconda dell’impiego dell’utensile.

Gli acciai per utensili sono suddivisi nelle seguenti sottocategorie:

RAPIDI E SUPER RAPIDI

ACCIAI

È la più importante tipologia di acciaio utilizzato nella costruzione di utensili per la lavorazione veloce del metallo.

Se ne può fare la seguente schematizzazione:

- super rapido, riconoscibile dalla presenza del cobalto e adatto ad alte velocità di taglio ma non a utensili sotto-

posti a urti (ad esempio: barrette, placchette, frese...);

- rapido, che si distingue dal precedente soprattutto per l'assenza del cobalto, acquistando così maggiore tenacità

(punte elicoidali, maschi, creatori, coltelli...);

- semi rapido per medie e basse velocità di taglio.

Normalmente l'acciaio rapido è ricotto a 800-900 °C, temprato a 1180-1300 °C e rinvenuto a 550 °C anche più

volte (a causa dell'enorme quantità di austenite residua).

PER LAVORAZIONI A CALDO

ACCIAI

È una tipologia di acciaio utilizzato nelle lavorazioni con temperatura maggiore di 300 °C e le sue caratteristiche

principali sono:

- resistenza all'ossidazione

- resistenza meccanica a caldo

- resistenza allo shock termico

- resistenza alla fatica termica

Le ultime due caratteristiche derivano dall'elevata tenacità del materiale dovuta alla bassa concentrazione di car-

bonio (0,3%-0.4% C) e alla presenza del vanadio che serve per mantenere ridotte le dimensioni del grano ad alte

temperature.

METALLURGIA – SECONDO PARZIALE 71 Gabriele Grezzana

PER LAVORAZIONI A FREDDO

ACCIAI

L'elevata durezza è solitamente dovuta all'alto tenore di carbonio; altre proprietà, quali tenacità, resistenza all'u-

sura, indeformabilità al trattamento termico, penetrazione di tempra, capacità di taglio, sono raggiunte con ulte-

riori elementi in soluzione. Non ci si deve stupire quindi della composizione molto varia di questi acciai: al carbo-

nio, al cromo-carbonio, al tungsteno-cromo, al tungsteno e al manganese-vanadio.

Il rinvenimento deve essere attorno ai 200 °C, altrimenti si decompone la martensite.

SEQUENZA DEI CARBURI IN ORDINE DI STABILITÀ:

I carburi che possono formarsi in questa categoria

di acciai sono riportati nel diagramma a lato; per

ogni elemento di lega che li forma è disponibile, in

base alla rispettiva concentrazione, il tenore di car-

bonio al punto eutettoidico.

C; W C; MoC/Mo C; Cr C /Cr C /Cr C ;

TiC; VC/V 2 2 2 3 2 7 3 23 6

Mn C /Mn C; Fe C; ..

7 3 3 3

Essi conferiscono elevata durezza all’acciaio e modificano il diagramma Fe-C: anche per tenori di pochi punti per-

centuali di questi elementi di lega acciai a 0.5% di C sono ipereutettoidici. Il punto ipereutettodico viene abbas-

sato in temperatura ed in concentrazione di carbonio (come riportato nel diagramma seguente).

SPOSTAMENTO DEL C EUTETTOIDE IN FUNZIONE DEGLI ELEMENTI DI LEGA

I cambiamenti al diagramma ferro-carbonio sono tal-

mente significativi che con il solo raffreddamento le

leghe danno carburi primari che provengono diretta-

mente dal liquido.

A causa della presenza i questi elementi di lega non si

forma sempre perlite, ma ferro insieme ai rispettivi

α

carburi delle aggiunte.

[Formazione di carburi al raffreddamento e a trasfor-

mazioni isoterme e curve CCT dell’acciaio per lavora-

zioni a caldo X30WCrV 9 3]. 

È possibile distinguere varie tipologie di carburi: quelli generati dalla solidificazione diretta della fase liquida ven-

gono detti primari mentre se generati dalla fase vengono chiamati secondari. Esiste una terza tipologia di car-

γ

buri, ovvero quella contenuta nell’eutettoide.

METALLURGIA – SECONDO PARZIALE 72 Gabriele Grezzana

TEMPERATURA DI AUSTENITIZZAZIONE

Un’altra rivoluzione portata da questa categoria di acciai è la scelta della temperatura di austenitizzazione ben al

di sopra dei punti critici; questa infatti può arrivare fino a 1000-1200 °C, rischiando di lambire il liquido.

coalescenza dei carburi o loro passaggio in soluzione; contemporaneamente si hanno

Il fine è quello di ottenere la

effetti anche sull’austenite residua (indirettamente dall’abbassamento di M e M ), si rischia di portare la lega a fu-

s f

sione, di avere ossidazione rapida (questione risolvibile lavorando in ambiente inerte) e causare un ingrossamento

dei grani (inevitabile ad alte T). Per questo motivo si scelgono temperature

inferiori.

A sinistra è riportato l’andamento delle temperature di inizio (M ) e fine

s

(M ) del processo di formazione di martensite: il loro profilo sarà influen-

f

zato dalla temperatura di tempra.

Data una temperatura di tempra (ascisse) è possibile conoscere la percen-

tuale di austenite residua ad ogni temperatura.

Incrementando la T di tempra l’austenite si arricchisce di carburi (che preci-

pitano), diventando più dura, meno temprabile.

Nel caso in cui la tempra termini a temperatura molto basse (inferiori a -

100 °C) questa viene detta criogenica e permette di abbassare la quantità

di martensite nella struttura.

Anche in questo caso si attua un

compromesso per ottenere il massimo di durezza: il suo profilo rispetto

alla temperatura di austenitizzazione è riportato nel grafico a destra.

Al crescere di questa T la durezza aumenta fino ad un valore massimo, per

poi diminuire a valori di temperature più elevati.

La spiegazione va ricercata in dominio microscopico, relativamente alle di-

mensioni dei grani.

In presenza di precipitati dispersi nella matrice questi rallentano, o impedi-

scono totalmente, la crescita dei grani rispetto al caso di in una matrice

analoga ma pulita.

Ciò comporta un continuo aumento di durezza fintanto che il numero di

questo precipitati, alzando la temperatura, cresce. Si raggiunge però un

valore di T al quale i carburi ritornano in soluzione e la crescita dei grani

risulta libera: la durezza ne risente diminuendo progressivamente.

A: ingrossamento del grano gradualmente; curva B: ingrossa-

[Curva

mento inibito da carburi fino ad alla T della loro solubilizzazione; curva

C: maggiore stabilità dei carburi e quindi del grano].

TEMPERATURA DI RINVENIMENTO

In seguito alla tempra viene eseguita un’opera-

zione di rinvenimento che porta, inevitabil-

mente, una diminuzione della durezza e ad un

aumento della resilienza tanto significative

quanto l’incremento della temperatura di rin-

venimento (primo grafico).

METALLURGIA – SECONDO PARZIALE 73 Gabriele Grezzana

Oltre a dover subire questo effetto primario, nasce, sempre a causa degli elementi di lega, la possibilità di sfrut-

indurimento secondario in alcuni acciai per lavorazioni a caldo e rapidi.

tare un ulteriore effetto di

Ciò che viene sfruttato in questa occasione è la formazione di carburi fini durante il rinvenimento (in figura at-

torno a 550°C).

A causa del rapido raffreddamento eseguito nella tempra rimangono concentrazione eccessive di elementi di lega

nel reticolo: scaldando durante il rinvenimento questi precipitano legati al carbonio, sotto la forma di carburi (detti

secondari o preeutettoidici), portando la durezza a valori più elevati.

Il profilo della durezza complessiva, data dalla somma dei due effetti coincide proprio con la somma dei due an-

damenti nei grafici precedenti.

Alla temperatura corrispondente al massimo di durezza verrà quindi eseguita la tempra, che farà crescere la stabi-

lità termica: i carburi formatisi ritorneranno in soluzione solamente a temperature elevate, mantenendo pressoché

inalterate le proprietà meccaniche fino a quelle T. plate

)

La matrice che contiene i carburi è costituita da martensite (

e qualche residuo di austenite.

Gli acciai da utensili potrebbero an-

che avere una struttura analoga ad

una ghisa ipereutettica (ledeburite)

in quanto la concentrazione di car-

bonio in essa, pur non essendo

molto elevata, è bilanciata dalla pre-

senza di elementi di lega che abbas-

sano il tenore di C dell’eutettoidico;

il raffreddamento delle due tipologie di lega non risulta infatti

molto differente.

[Diagramma ternario

Fe-C-Cr: superfici del

liquidus (sinistra) e iso-

terma a 1000°C (de-

stra)]. 

METALLURGIA – SECONDO PARZIALE 74 Gabriele Grezzana di micro-

[Esempi

strutture di acciai da

utensili ipereutettoi-

dici].

32. GHISE

GHISE PER IMPIEGHI INDUSTRIALI

La ghisa (detta anche fino all'Ottocento ferraccio[1] per la minore qualità e la peggiore lavorabilità rispetto all'ac-

ciaio dolce) è una lega ferro-carbonio (o lega fer-

rosa) con tenore di carbonio relativamente alto

(2,06%<C<6,67% che è il limite di saturazione) otte-

nuta per riduzione o comunque trattamento a caldo

dei minerali di ferro. La ghisa fonde a circa 1200 °C.

[Diagramma Fe-C (con silicio) e rappresentazione

delle possibili strutture di una ghisa ipoeutettica].

Nell’immagine a lato si osserva sia il diagramma Fe-C

(tratteggiato), sia quello della composizione della

ghisa, contenente silicio, che viene in realtà prodotta.

Le differenza non sono significative ma questo ele-

mento di lega risulta di vitale importanza, favorendo

la grafiticizzazione, reazione riportata in seguito.

Decomposizione della cementite metastabile in C

grafitico, con il tempo e la temperatura:

Fe C → 3Fe + C

3

A seconda della concentrazione di grafite nel reticolo si hanno fasi differenti:

parziale (solo ad alte temperature):

Grafitizzazione

La grafite formatasi è tutta uguale ma a seconda di temperatura e fase di provenienza

prende nomi differenti come primaria, eutettica, secondaria, eutettoidica e di ricottura.

Ad esempio al posto della cementite primaria si forma la grafite primaria, mentre il resto delle fasi (ledeburite che

diventa ledeburite trasformata) segue sempre la forma canonica (come in assenza di silicio o elementi grafitiz-

zanti). Se la concentrazione di grafite aumenta può formarsi austenite, che al posto di smiscelare in cementite se-

condaria darà grafite secondaria.

completa, diagramma Fe-C modificato da:

Grafitizzazione

- Elementi grafitizzanti - Inoculanti della fase C - Velocità di raffreddamento basse

METALLURGIA – SECONDO PARZIALE 75 Gabriele Grezzana

In questo caso la grafite è suddivisa in molte delle tipologie precedentemente elencate (primaria, secondaria,

dall’eutettoide); la struttura della ghisa risulta quindi essere costituita da una matrice ferritica contenente grafite.

Al punto eutettoidico l’austenite non forma ferrite e perlite, ma, al posto di quest’ultima, genera lamelle grafitiche.

È anche possibile incrementare ulteriormente la fase grafitica quando questa sia carente, operando una cottura di

grafiticizzazione eseguita in un forno ad alte temperature per tempi sufficientemente lunghi. In seguito a questo

trattamento termico la ghisa ledeburitica (bianca) si trasforma prima in ghisa perlitica (grigia) e, se il tempo di cot-

tura è elevato, anche in ghisa ferritica.

Alcuni elementi di lega possono portare la crescita di grafite secondo una forma sferica, cambiandone così la

morfologia ma non le proprietà che essa comporta nella ghisa.

STIMA DELL’EFFETTO DELLA COMPOSIZIONE CHIMICA E DELLA VELOCITÀ DI RAFFREDDAMENTO

Raffreddando un prisma a base

triangolare (in figura) si ottiene una

grafiticizzazione graduale dal ver-

tice al lato opposto; questo perché

il raffreddamento è veloce nelle

zone dove c’è poco materiale (spi-

golo).

Diminuendo la velocità di raffred-

damento la durezza diminuisce

progressivamente in quanto la fase grafitica aumenta.

03/06/2015

CLASSIFICAZIONE DELLE GHISE

Essa è basata su forma, dimensione, distribuzione della grafite e sulla struttura della matrice; possono quindi es-

sere osservate: • Ghise bianche; • Ghise grigie; • Ghise mallea-

bili; • Ghise sferoidali; • Ghise legate.

La micrografia (a) riporta una ghisa lamellare, sono

infatti chiaramente visibili le lamelle di grafite (scure)

immerse in una matrice ferritica (chiara).

Nella (b) si osserva invece una ghisa sferoidale: gli

sferoidi di grafite sono le “palline” nere.

[Dettaglio di una lamella di grafite contenuta nella

ghisa lamellare]. 

METALLURGIA – SECONDO PARZIALE 76 Gabriele Grezzana

La micrografia (c) illustra la struttura di una ghisa bianca ledeburitica contenente anche domini perlitici.

Come ultimo caso (d) è riportata la ghisa mallea-

bile, nella quale gli aggregati grafitici (neri) sono

tridimensionali e non presentano una direzione

preferenziale di crescita.

La classificazione della grafite viene eseguita a seconda delle sue caratteristiche di:

1) FORMA

- lamelle sottili e aguzze (I);

- noduli con ramificazioni (II);

- lamelle spesse e arrotondate (III);

- flocculi frastagliati (IV);

- flocculi compatti (V);

- noduli regolari (VI).

2) DISTRIBUZIONE

- lamelle sottili uniformi senza orientamento preferenziale (A);

- lamelle raggruppate in rosette (B);

- lamelle spesse e diritte senza orientamento (C);

- lamelle molto fini nelle zone interdendritiche (D);

- lamelle piccole nelle zone interdendritiche (E).3)

DIMENSIONI

La suddivisione in classi dimensionali parte da 1 (grossolane) e giunge fino ad 8 (molto fini)

METALLURGIA – SECONDO PARZIALE 77 Gabriele Grezzana

DESIGNAZIONE DELLE GHISE (UNI EN 1560)

Come per acciai, possibile designazione mediante simboli (caratteristiche) o mediante numeri (codici)

Esempi: EN-GJS-350-22C / EN-GJL-150C / EN-GJN-HV350

GHISE GRIGIE (LAMELLARI) (UNI EN 1561)

Queste ghise costituiscono la tipologia più diffusa; vengono prodotte con la fusione di rottame di ghisa e di ac-

ciaio, con l'aggiunta di elementi grafitizzanti (C compreso tra il 2.5% e il 4% in peso, Si tra l'1% e il 3% sempre in

silicio è l'elemento grafitizzante per eccellenza.

peso, P), tra i quali il

A causa delle lamelle, del silicio e del fosforo, spesso si ha fragilità. In ogni caso la fragilità indotta dalla grafite in

lamelle (effetti di microintaglio drastico, come cricche interne) mette in secondo piano la costituzione perlitica o

ferritica della matrice metallica e rende inutile parlare di snervamento, duttilità e resilienza.

Secondo le norme UNI le ghise sono denominate con la sigla GJL seguita dalla tensione minima in MPa (es: EN-

GJL 100; EN-GJL 350).

METALLURGIA – SECONDO PARZIALE 78 Gabriele Grezzana

Di lato è riportato un grafico che indica le tre curve sforzo deforma-

=150, 250 e 300 MPa); in

zione per tre categorie di ghise lamellari (R m

genere come valore del modulo elastico si è soliti impiegare il 30% del

carico di rottura, anche se non possiede significato fisico.

L’effetto dovuto alla presenza di lamelle grafitiche si sente soprattutto

in trazione, le ghise grigie, infatti, lavorano meglio nel dominio di com-

pressione: le eventuali cricche formatesi rimangono chiuse e risulta

molto difficile la loro espansione, poiché un minimo carico fa plasticiz-

zare l’apice delle lamelle.

I vantaggi presentati dalle ghise lamellari sono numerosi e molto significativi:

- sono ottimi materiali da fonderia poiché possiedono una composizione prossima a quella eutettica (sono carat-

terizzati da una buona lavorabilità alle macchine utensili);

METALLURGIA – SECONDO PARZIALE 79 Gabriele Grezzana

- hanno un’eccellente colabilità (la grafite viene impiegata come lubrificante allo stato solido), infatti, essendo

poco viscose, riempiono molto bene le forme degli stampi;

- possiedono un’ottima truciolabilità grazie alla presenza di grafite che si sfalda facilmente;

- sono capaci di smorzare in maniera egregia le vibrazioni; questa caratteristica è dovuta alla presenza di lamelle

grafitiche, che, formando molte interfasi con la matrice, dissipano energia.

Gli svantaggi tipici di queste ghise sono invece:

- non sono saldabili, in quanto le lamelle di grafite amplificano le tensioni interne che si creano durante il processo

di saldatura;

- presentano grande fragilità.

GHISE SFEROIDALI (DUTTILI) (UNI EN 1563)

Queste sono ghise in cui la grafite, anziché sotto forma di lamelle, si presenta in noduli a forma di sferoidi.

I noduli si trovano in una matrice metallica la cui struttura è funzione della composizione chimica del tipo speci-

fico di ghisa, della velocità di raffreddamento al momento della solidificazione e degli eventuali trattamenti termici

successivi. La forma sferoidale della grafite produce una minore concentrazione di

tensione rispetto a quella lamellare; inoltre la forma sferica è quella che a

parità di volume presenta la minore superficie e la matrice risulta perciò

meno danneggiata; si riesce così a sfruttarne meglio le caratteristiche.

Inoltre nella ghisa sferoidale i noduli di grafite esercitano un’azione di ar-

resto per le cricche (figura 2b), a differenza della grafite lamellare che of-

fre una via preferenziale per la loro propagazione (figura 2a).

Secondo la norma UNI EN 1563 la ghisa sferoidale nell'Unione Europea viene indicata con la sigla GJS seguita da

)in MPa e da un secondo numero che indica l'allunga-

un numero che indica la resistenza minima a trazione (R m

mento minimo percentuale (A%). I

due numeri sono separati da un

trattino (es. GJS-400-15).

La designazione può presentare

anche due ulteriori simboli alfanu-

merici:

- LT - bassa temperatura;

- RT - temperatura ambiente.

La ghisa sferoidale presenta un no-

tevole miglioramento di tutte le ca-

ratteristiche meccaniche ed inoltre

una proprietà che è sconosciuta alla

ghisa "normale": la duttilità.

Si promuove la formazione di gra-

fite sferoidale (nodulare) diretta-

mente dal liquido in solidificazione

con l’aggiunta di particolari ele-

menti in lega (Mg, Ce)

METALLURGIA – SECONDO PARZIALE 80 Gabriele Grezzana


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DESCRIZIONE APPUNTO

Cenni ai reticoli cristallini metallici, metalli policristallini. Difetti di punto: vacanze reticolari, atomi interstiziali e sostituzionali, formazione di soluzioni solide. Difetti di linea: dislocazioni, interazioni tra disolcazioni, campi di tensione e formazione di sottostrutture. Difetti di superficie: bordi di grano, leggi di crescita del grano cristallino. Diffusione nei metalli: leggi di Fick, meccanismi di diffusione, esempi applicativi. Applicazioni dei diagrammi di stato alle leghe metalliche: fondamenti sui diagrammi di stato, esempi di interpretazione di diagrammi complessi, diagrammi ternari, diagramma Fe-C. Trattamenti termici: trasformazioni di fase, curve TTT e CCT per la trasformazone dell'austenite negli acciai, trattamenti termici di interesse applicativo, strutture di non equilibrio negli acciai. Prove meccaniche e resistenza dei materiali: trazione, durezza, resilienza. Fragilita e tenacita, fatica. Cenni alle principali tecnologie di produzione e trasformazione dei metalli. Metallurgia e comportamento delle principali classi di acciai e delle ghise. Cenni alla metallurgia e comportamento delle principali leghe non ferrose


DETTAGLI
Esame: Metallurgia
Corso di laurea: Corso di laurea in ingegneria dei materiali e delle nanotecnologie
SSD:
A.A.: 2016-2017

I contenuti di questa pagina costituiscono rielaborazioni personali del Publisher Toohips di informazioni apprese con la frequenza delle lezioni di Metallurgia e studio autonomo di eventuali libri di riferimento in preparazione dell'esame finale o della tesi. Non devono intendersi come materiale ufficiale dell'università Politecnico di Milano - Polimi o del prof Vedani Maurizio.

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