Parte B metallurgia

PARTE B METALLURGIA

Domanda 1: illustrare le generalità di un acciaio autotemprante, specificando le caratteristiche essenziali

della sua classe di appartenenza

Gli acciai autotempranti sono un tipo di acciai speciali, che hanno l’obbiettivo di completare la

trasformazione in martensite fino all’interno del pezzo, anche per pezzi di notevoli dimensioni. Infatti,

questo tipo di acciai devono sottostare ad una soglia minima di tenore di C + Ni + Cr, ossia la somma dei tre

tenori deve essere maggiore di 5, ma anche minore di 7. Questo per garantire che le curve CCT siano

sufficientemente spostate a destra, così da poter essere temprate in aria.

Siccome le curve CCT sono molto spostate verso destra, l’unico modo per diminuire la durezza è la ricottura

completa; infatti, questo è il primo trattamento a cui vengono sottoposti questo tipo di acciai. Dopo la

sgrossatura, viene effettuata una tempra in aria, e successivamente un rinvenimento, che viene effettuato

a 200°C. Ci sono due motivi per questa temperatura ridotta: in primo luogo, per via dell’omogeneità con cui

avvengono le dilatazioni del reticolo da CFC a tetragonale distorto, non ci sono grandi tensioni interne,

inoltre , siccome il Ni è presente in alte percentuali (circa 4%), e sappiamo che il Ni forma una soluzione

solida sostituzionale del ferro, ciò implica minori distorsioni reticolari. Il risultato pratico ottenuto da questo

rinvenimento, fa sì che nonostante la bassa temperatura questi acciai presentano elevate tenacità

(paragonabili a un ottimo acciaio da bonifica), ed inoltre, data la bassa temperatura del rinvenimento

mantengono elevate caratteristiche meccaniche, e ciò permette di ottenere un ideale binomio. Una volta

finito questo processo, vengono effettuate ulteriori lavorazioni alle macchine utensili.

Domanda 2: Illustrare le generalità di un acciaio da bonifica, specificando le caratteristiche essenziali della

sua classe di appartenenza.

Sono quelli acciai che permettono di raggiungere un materiale con resistenza elevata, mantenendo però

elevata la tenacità grazie all’ausilio del processo consistente in una tempra seguita da un rinvenimento a

600 °C (altrimenti detto bonifica). Si distinguono in:

- Acciai da bonifica al solo carbonio

- Acciai da bonifica debolmente legati.

Il loro carico di rottura varia tra 500 e 1300 Mpa, ovviamente i valori più bassi si riferiscono agli acciai al

solo carbonio, mentre valori maggiori competono agli acciai debolmente legati, perché la presenza di

elementi di lega permette di:

- Aumentare la temprabilità e la generazione di martensite all’interno della sezione

- Formare numerosi carburi che ostacolano il moto delle dislocazioni, aumentando quindi le

caratteristiche della martensite rinvenuta.

Il più importante elemento di lega di questi acciai è il Cr, perché permette di spostare verso destra le curve

CCT, favorendo la temprabilità, e inoltre forma numerosi carburi in fase di rinvenimento. Un elemento

importante è il Ni, perché aumenta la temprabilità e svolge un ruolo tenacizzante. Viene usato anche il Mo

per aiutare con la fragilità di rinvenimento.

Ciclo tecnologico: rigenerazione (normalizzazione + ricottura di lavorabilità), lavorazione di sgrossatura alle

macchine utensili, bonifica (tempra + rinvenimento a 600°C), lavorazione di rifinitura.

Domanda 3: Illustrare le generalità di un acciaio da cementazione, specificando le caratteristiche essenziali

della sua classe di appartenenza.

Sono acciai che dal punto di vista ingegneristico hanno l’importante scopo di garantire in un pezzo elevata

durezza nello strato superficiale, ma allo stesso tempo elevata tenacità al cuore. Vengono usati ad esempio

per gli ingranaggi. Questo tipo di acciai sono caratterizzati da un bassissimo tenore di carbonio, minore di

0,2%. Essi sono destinati il trattamento termochimico della cementazione. La cementazione può essere di

tre tipi, in base allo stato fisico del cementante, noi ci occupiamo di quelli eseguiti con cementante allo

stato solido. Prima di tutto ci si pone nelle condizioni tale per cui sarà ottimizzato l’assorbimento del

carbonio, ossia:

- L’acciaio con più basso tenore di carbonio ha una maggiore attitudine ad assorbire carbonio a

parità di temperatura.

- Il carbonio si diffonde più facilmente a temperature più elevate per il fenomeno della dilatazione ed

inoltre il reticolo cristallino maggiormente propenso all’assorbimento, è il CFC. Per tale motivo, ci si

porta ad una temperatura di 900-920°C, cosicché si entra nella fase gamma. Non si va oltre tali

temperature per evitare il fenomeno dell’ingrossamento del grano.

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

(monossido di carbonio).

Fase pre-tempra: la temperatura in forno viene abbassata a valori di 860°C, la diffusione di carbonio viene

interrotta. Alla fine di questa fase la temperatura della fase cementata e del cuore sarà tale per cui la

superficie sarà austenitica e pronta per la tempra, mentre il cuore sarà austenitico con piccole parti di

ferrite.

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

Rinvenimento: a bassa temperatura (anche detto di distensione), il pezzo viene rimesso in forno per

eliminare tensioni rimaste dalla tempra.

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

della fragilità da rinvenimento.

Ciclo tecnologico: Rigenerazione (normalizzazione + ricottura di lavorabilità), lavorazione con macchine

utensili di sgrossatura, cementazione a 920°C + tempra a 860°C, distensione a 150°C, lavorazione con

macchine utensili di finitura.

Domanda 4: Illustrare le generalità di un acciaio da nitrurazione, specificando le caratteristiche essenziali

della sua classe di appartenenza.

Gli acciai a nitrurazioni per scopi sono molto simili a quelli da cementazione, ossia ci si propone di avere un

risultato finale che esalta le caratteristiche di durezza in superficie mentre al cuore si esalta la tenacità.

Ciò che invece cambia rispetto agli acciai da cementazione è il modo con cui questo risultato viene

conseguito; infatti, l’atmosfera in cui si immerge il pezzo, sarà un’atmosfera nitrurante (ammoniaca in fase

gassosa). È importante evidenziare che a differenza degli acciai da cementazione la temperatura a cui

avviene il processo, è molto più bassa (500-550°C). Per contro, i tempi di esecuzione della nitrurazione sono

molto più lunghi. Un’ultima cosa è che i pezzi che si ottengono con questo processo non superano i 2 mm,

per via dei tempi molto lunghi. L’indurimento superficiale viene a crearsi per via della formazione di nitruri

che possono essere di vari tipi. Se ci sono degli elementi di lega molto affini (per esempio Al) con l’azoto si

riesce a raggiungere una durezza pari a 1200 HV. Data la temperatura a cui si esegue il processo, è

fondamentale la presenza del Mo per evitare la malattia di Krupp. Non si esegue il trattamento a

temperature più elevate perché si incapperebbe nella formazione di Braunite, che è un costituente molto

fragile. D’altra parte, tramite la temperatura bassa, si mantengono le caratteristiche meccaniche

dell’acciaio. Negli acciaia da nitrurazione non deve essere presente il Ni perché favorisce l’abbassamento

della temperatura eutettoidica.

Si evidenzia inoltre che la nitrurazione è un trattamento chimico al di sotto dei punti critici. Ciò permette di

mantenere inalterata la microstruttura, per contro potrebbe verificarsi un aumento del volume che però

non comporta deformazioni perché omogeneo.

Ciclo tecnologico: rigenerazione (normalizzazione + ricottura di lavorabilità), lavorazione con macchine

utensili di sgrossatura, bonifica (tempra + rinvenimento a 600°C), lavorazione con macchine utensili di

finitura, nitrurazione a 550°C.

Domanda 5: Illustrare le generalità di un acciaio per molle, specificando le caratteristiche essenziali della

sua classe di appartenenza.

La principale caratteristica di questi acciai è l’elevato carico a snervamento, che permette di ottimizzarne

l’impiego. L’innalzamento del limite di snervamento viene perseguito negli acciai principalmente in due

modi:

- Aumentando la percentuale di carbonio, infatti, in un acciaio per molle si ha una percentuale di

carbonio che va da 0,55 a 1%, a maggiori percentuali corrisponde maggiore resistenza ma minore

tenacità.

- Aggiunta di silicio fino a 2,5%. A differenza del carbonio, l’aggiunta di silicio non comporta una

diminuzione di tenacità.

L’aggiunta di elementi di lega favorisce l’innalzamento della temprabilità, importante in quanto questi

acciai vengono temprati ad una temperatura di 450°C. Si distinguono in:

- Al solo C

- Debolmente legati al Si o Si più altri elementi

- Debolmente legati al Cr o Cr-Mo-V

Ciclo tecnologico: rigenerazione (normalizzazione + ricottura di lavorabilità), lavorazione alle macchine

utensili di sgrossatura, bonifica (tempra + rinvenimento a 450°C), lavorazione con macchine utensili di

finitura, pallinatura.

La pallinatura serve a diminuire la rugosità superficiale.

Domanda 6: Descrivere le generalità dei materiali ceramici, caratteristiche meccaniche e fisiche e principali

occupazioni. Spiegare le sostanziali differenze che esistono tra un reticolo cristallino di un materiale

ceramico e un reticolo cristallino dei materiali metallici.

I materiali ceramici sono costituiti da almeno due elementi e presentano una struttura cristallina più

complessa di quella dei metalli. Il legame atomico, infatti, può variare da puramente ionico a totalmente

covalente, o a combinazioni dei due.

Di solito essi sono formati dalla combinazione di un composto metallico e di uno non metallico. Le

caratteristiche di base dei materiali ceramici sono: bassa conducibilità termica ed elettrica, elevata

temperatura di fusione (infatti vengono usati per i refrattari dei forni), elevata resistenza al calore, elevata

resistenza alla corrosione, elevata rigidezza (modulo di Young), basso coefficiente di dilatazione termica

lineare ed elevata fragilità. Tutte queste caratteristiche dipendono dalle proprietà strutturali dei materiali

ceramici.

Per quanto concerna la struttura cri