Primo parziale Prodotti metallurgici innovativi e multifunzionali

Appunti del corso di "Prodotti metallurgici innovativi e multifunzionali"

1° parziale

Corso di laurea magistrale in ingegneria dell’innovazione del prodotto
Università degli studi di Padova

1. Siderurgia

Produzione dell'acciaio

La produzione di acciaio avviene attraverso due cicli principali di fabbricazione:

• Metallurgia chimica: In tale fase si agisce sulla composizione chimica, dove partendo dal minerale di ferro e da carbone si ottiene la lega finale. Questo passaggio avviene attraverso una prima fase di “sgrossatura” dove vengono rimosse le impurità e in secondo luogo si esegue una fase di “affinazione” per ottenere la lega finale.
• Metallurgia fisica: In tale fase non si modifica più la composizione chimica, ma si agisce solo sullo stato fisico. Infatti, la lega finale può essere rifusa o lavorata per deformazione plastica, in modo da ottenere dei semilavorati, i quali dopo una serie di lavorazioni dove si va a modificare la geometria permettono di ottenere un prodotto grezzo. Inoltre, se necessario, è possibile eseguire dei trattamenti termici, i quali vanno a modificare la microstruttura, arrivando così a ottenere pezzi finiti.

Metallurgia chimica

La fase di metallurgia chimica può avvenire in due modi, che prendono il nome di "processo primario" e "processo secondario".

• Processo primario: Detto anche “ciclo integrale”, consiste nella realizzazione dell'acciaio a partire dal minerale di ferro, il quale dopo una serie di trattamenti preliminari può essere caricato nell'altoforno insieme a carbon coke e calce. L'utilizzo del carbone metallurgico è indispensabile per la reazione di riduzione dell'ossido di ferro in ferro metallico, poiché l'ossigeno reagendo con il carbonio riduce l'ossido. Quindi, alimentando il forno dall'alto con minerale di ferro, carbone e calce e insufflando dal basso aria preriscaldata a 1000 °C, è possibile far avvenire la reazione di riduzione ottenendo in tale modo sul fondo ghisa fusa a 1600-1800 °C su cui galleggiano le scorie che verranno successivamente rimosse. Da tale processo si ottiene quindi una lega ferro-carbonio con un tenore di C di circa 4-5%. Tale lega, per essere trasformata in acciaio, deve essere trasferita nei forni di affinazione dove avviene una riduzione del contenuto di carbonio e di impurità come zolfo e fosforo. Quindi, la ghisa fusa passa dall'altoforno al convertitore, ovvero un reattore discontinuo, dove tramite alcune particolari accortezze di processo e l'insufflaggio di ossigeno si fa avvenire la reazione tra carbonio e O₂, con la formazione di CO e CO₂ che allo stato gassoso vengono espulse ottenendo così l'acciaio. Spesso la carica dei forni di affinazione viene bilanciata con piccole quantità di rottame e componenti permettendo di ottenere la composizione desiderata.
• Processo secondario: Detto anche “ciclo di produzione in forno elettrico”, permette la realizzazione di acciaio a partire da rottami di ferro, con l'eventuale aggiunta di minerali di ferro o ghisa in base alle proprietà che si vogliono raggiungere. Si tratta di un processo molto più flessibile di quello primario, poiché essendo discontinuo, permette di cambiare tipologia di acciaio tra una colata e l'altra e di eseguire la manutenzione in maniera più agevole. Infatti, il tap-to-tap time è di circa 35-40 minuti, all'interno del quale vengono eseguite le cariche, la fusione e la colata. La fusione avviene attraverso un forno elettrico trifase a tre elettrodi, dove si crea un arco tra l'estremità degli elettrodi di grafite e la carica metallica. Quindi, la fusione avviene per effetto del calore irraggiato dall'arco con scambio termico per conduzione, convezione e irraggiamento, meccanismo che può essere affiancato da bruciatori a gas o dall'aggiunta di carbone e ossigeno in modo da ridurre i consumi di energia. L'acciaio, una volta solidificato, può essere sottoposto ad azioni di pulitura dove viene rifuso sottovuoto con l'eliminazione di impurità gassose e inclusioni, operazione che può essere eseguita più volte nel caso di acciai ad elevata purezza. Il processo secondario è molto importante e diffuso, infatti, in Italia circa l'80% dell'acciaio viene prodotto con tale metodologia.

Convertitore AOD (Argon Oxygen Decarburization)

Nel caso di acciai inossidabili è necessario un processo di riduzione del contenuto di carbonio in grado di tenere sotto controllo la composizione chimica del materiale, caratterizzata da un elevato contenuto di cromo (12-18%). Per questo, argon e ossigeno vengono insufflati nel convertitore, in modo che l'ossigeno possa ossidare il carbonio e contemporaneamente l'argon attenui l'ossidazione del cromo, altrimenti si comprometterebbe la composizione dell'acciaio inossidabile.

Metallurgia fisica

Successivamente alla produzione dell'acciaio fuso e alla sua affinazione, la produzione siderurgica prevede il colaggio e la solidificazione in forme predeterminate, che saranno poi soggette a lavorazioni di deformazione plastica per ottenere i semilavorati finali. Tale passaggio può avvenire in due modi, attraverso colata continua o attraverso colata in lingottiera.

• Colata in lingottiera: È un processo classico in cui l'acciaio fuso viene solidificato all'interno di lingotti di circa 7-10 tonnellate, i quali una volta solidificati, vengono riscaldati e sottoposti a sbozzatura per modificarne la geometria e ottenere il semilavorato finale. Si tratta di un processo che permette di ottenere un componente di elevata qualità, ma con una resa metallurgica di circa 80% dovuta agli scarti di processo.
• Colata continua: Il fuso dalla siviera viene colato direttamente nella paniera, ovvero un bacino di raccolta che alimenta le linee di colata continua. Una linea di colata è costituita da un lingottiera in rame senza fondo refrigerata ad acqua, che crea uno strato esterno di acciaio solido che funge da contenitore al cuore liquido. Successivamente, si ha una seconda fase di raffreddamento che solidifica l'acciaio, il quale passa alla fase finale di laminazione attraverso dei rulli che oltre a laminare il materiale trasformano il processo di colata continua da verticale ad orizzontale.

Quindi, in conclusione, il processo classico in lingottiera conferisce migliore qualità, mentre la colata continua offre una maggiore produttività con una resa metallurgica molto elevata, circa il 98%.

2. Acciai altoresistenziali

Introduzione e classificazione

Secondo la classificazione classica degli acciai, si hanno due principali macro categorie:

• Acciaio al carbonio: Caratterizzati dalla presenza di carbonio, quantitativi controllati di silicio (Si<0,4%), manganese (Mn<1,2%) e impurità di zolfo e fosforo (S e P<0,04%). Tali acciai si dividono in acciai a basso tenore di C (C<0,2%), a medio tenore di C (0,2%<C<0,5%) e ad alto tenore di C (C>0,5%).
• Acciai legati: In tali acciai possono essere presenti un elevato numero di elementi (Al, Cr, Ni, Mo, Co, Mn, Ti, Si…) e si dividono in acciai basso legati se gli elementi in lega sono minori del 10%, mentre sono detti acciai alto legati se gli elementi in lega sono maggiori del 10%.

Di norma, nell'applicazione l'interesse principale è quello di massimizzare il comportamento meccanico degli acciai. Caratteristica che dipende molto dal tipo di trattamento termico eseguito a fine ciclo produttivo. Infatti, i trattamenti termici conferiscono un comportamento meccanico ottimale all'acciaio, ma hanno un costo elevato e richiedono un grande dispendio energetico.

Gli acciai altoresistenziali nascono con l'obiettivo di saltare il processo di trattamento termico, ad esempio, attraverso un processo di raffreddamento controllato a valle del processo di laminazione, dove controllando i tempi e le temperature di lavoro, è possibile monitorare l'evoluzione microstrutturale. In tal modo, si ottiene una microstruttura diversa da quella ottenibile con un trattamento termico, ma ugualmente efficace per le performance meccaniche.

In termini di prestazioni

Gli acciai altoresistenziali si dividono in tre categorie:

• Low stress steel (LSS: σ_sn < 210 MPa).
• High stress steel (HSS: 210 MPa < σ_sn < 550 MPa).
• Ultra high stress steel (UHSS: σ_sn > 550 MPa).

Meccanismi di rafforzamento

Per rafforzare gli acciai esistono 4 principali meccanismi di rafforzamento:

1. Soluzione solida: La presenza di elementi in soluzione solida, sostituzionale o interstiziale, rallenta il movimento delle dislocazioni lungo un certo piano, creando un rafforzamento del materiale e un aumento della σ_sn. In particolare, negli acciai l’aggiunta di manganese Mn (limite di solubilità 1,2%) e silicio Si (limite di solubilità 0,4%) permette un contributo, in termini di rafforzamento, in grado di aumentare la σ_sn di circa 100 MPa. Anche il rame Cu e il fosforo P permettono di avere un elevato rafforzamento, ma tendono a infragilire il materiale in maniera eccessiva.
2. Dimensione del grano: Al diminuire della dimensione del grano cristallino si osserva un aumento della σ_sn e una diminuzione della temperatura di transizione duttile-fragile. Questo avviene poiché i bordi grano impediscono il movimento delle dislocazioni e la loro propagazione, ritardando l'inizio della deformazione plastica e quindi alzando il limite elastico del materiale. Dalla relazione di Hall-Petch, che mette in relazione la σ_sn con la dimensione del grano, si dimostra che al diminuire di quest’ultima aumenta la densità dei bordi grano e quindi il numero di ostacoli per il movimento delle dislocazioni. La dimensione del grano può essere controllata attraverso le modalità di raffreddamento, infatti un raffreddamento più veloce permette di ottenere piccole dimensioni, poiché non viene fornito il tempo necessario al grano per ingrandirsi. Inoltre, tale aspetto può essere migliorato dalla presenza di microleganti come niobio Nb e vanadio V, che rallentano i tempi di ricristallizzazione.
3. Precipitati: La variazione di solubilità allo stato solido di una lega dovuta a una variazione di temperatura può dare origine a precipitati. Ad esempio, nel caso della tempra il brusco salto di temperatura impedisce i fenomeni diffusivi, causando il passaggio da una struttura solubilizzata stabile in una soluzione solida sovrassatura instabile. Successivamente, nel processo di invecchiamento, attraverso dei fenomeni diffusivi si ha la formazione di una fase coerente, ovvero di precipitati che fungono da ostacoli e bloccano la diffusione delle dislocazioni. Nel caso di acciai microlegati, la presenza di piccole dosi di niobio, titanio e vanadio, oltre che a controllare il grano austenitico, possono formare carburi, nitruri e carbonitruri che hanno quindi un effetto rafforzante innalzando il limite elastico del materiale. Ad esempio, la presenza di alluminio Al usato per la calmatura (processo di diminuzione della concentrazione di ossigeno nell'acciaio) può formare ossidi di alluminio molto fini reagendo con l'ossigeno, oppure in presenza di azoto, può formare nitruri di alluminio, precipitati rafforzanti in grado di controllare il grano austenitico.
4. Incrudimento: La deformazione plastica a freddo determina l'allungamento dei grani cristallini e l'aumento delle dislocazioni, le quali interferendo tra di loro, si bloccano a vicenda aumentando il limite di snervamento. Tale fenomeno può essere migliorato dalla presenza di microleganti come Mo, Mn, Nb, Ti e B. Quindi la realizzazione e sviluppo di un acciaio alto-resistenziale richiede:
   • Progettazione della composizione
   • Processi termomeccanici controllati
   Infatti, per migliorare le prestazioni, oltre ad agire sulla composizione, bisogna intervenire sul processo, ovvero imporre condizioni di raffreddamento forzato che permettono di ottenere la configurazione desiderata. Quando questo non è possibile si può agire solo sulla composizione, spostando le curve CCT dell'acciaio in modo da ottenere comunque la configurazione desiderata anche con un processo di raffreddamento convenzionale.

Saldabilità dell’acciaio

Il tenore di carbonio in un acciaio influenza la fragilità delle saldature, in quanto durante il processo di saldatura si ha una forte alterazione termica che determina la fusione del cordone e un surriscaldamento della zona adiacente che prende il nome di zona termicamente alterata (ZTA). Tale zona è solitamente soggetta a problemi, poiché tali fenomeni termici possono indebolire l'acciaio, infatti, raggiungendo T≌T_F si ritorna a una struttura austenitica che raffreddandosi segue le curve CCT tipiche di quel determinato acciaio. Con tali dinamiche, c'è un'alta possibilità che si formi martensite, la cui durezza e fragilità sono fortemente legate alla quantità di carbonio presente. Poiché maggiore la quantità di carbonio maggiore la fragilità, per convenzione, nelle saldature si usa un valore massimo di contenuto di C pari allo 0,2%. Nel caso di acciai con composizione più complessa, occorre determinare il carbonio equivalente CE, che secondo l'International Institute for Welding, per valori minori dello 0,4% permette di avere bassa suscettibilità di caricatura a freddo. Gli acciai alto-resistenziali sono caratterizzati da un buon compromesso tra proprietà meccaniche e buona saldabilità, poiché in generale sono caratterizzati da un basso tenore di carbonio. Nonostante questo, le proprietà meccaniche sono garantite dai meccanismi di rafforzamento e dall'aggiunta di micro eleganti.

Acciai altoresistenziali

1. Acciai IF (Interstitial Free): Nel reticolo cristallino degli acciai gli elementi interstiziali rafforzano il materiale, ma penalizzano la duttilità. Per questo negli acciai IF, dove si vuole massimizzare tale proprietà, si hanno presenze minime di carbonio C e azoto N interstiziale (<0,002%). Tale condizione si può ottenere aggiungendo un passaggio intermedio nel processo produttivo, dove l'acciaio liquido viene portato sotto vuoto in modo che la solubilità degli elementi gassosi diminuisca, favorendo la loro espulsione. In tal modo, l'azoto N viene rimosso facilmente dall'acciaio. Mentre, per il carbonio viene aggiunta una quantità controllata di ossigeno O in modo che si formi monossido di carbonio CO che in fase gassosa viene espulso, riducendo in tal modo il tenore di C. Un ulteriore metodo e l'aggiunta di niobio Nb e titanio Ti, che avendo una forte affinità per il carbonio C e l’azoto N formano carburi e nitruri eliminando quindi C e N in posizione interstiziale. La presenza di elementi interstiziali provoca un aumento del limite di deformazione poiché sono attratti dal campo di deformazione elastica intorno alle dislocazioni, dove fungono da freno. Quindi l'assenza di tali elementi permette di non avere più fenomeni di distorsione del reticolo, conferendo al materiale un basso carico di snervamento (σ_sn < 150-160 MPa) ed un elevato allungamento a rottura (45%). Tali caratteristiche conferiscono agli acciai IF un'eccezionale stampabilità, infatti vengono usati in caso di stampaggio di pezzi estremamente difficili, con profonde deformazioni plastiche. In caso di necessità, tali acciai possono essere rinforzati incrementando la σ_sn attraverso l'aggiunta di fosforo P, silicio Si e manganese Mn. In tal modo si possono raggiungere valori fino a σ_sn=500 MPa e tali acciai prendono il nome di “acciai IF-HSS”.
2. Acciai BH (Bake Hardening): Gli acciai “Bake Hardening”, ovvero induriti per cottura, sono caratterizzati da un basso contenuto di carbonio C e quindi da una buona deformabilità e si ottengono con raffreddamenti veloci per tenere in soluzione solida il carbonio. Tali acciai vengono utilizzati principalmente per le carrozzerie nel settore automotive, dove dopo un ciclo di stampaggio, ovvero di deformazione a freddo, si esegue un processo di invecchiamento che corrisponde alla fase di cottura della vernice applicata. Tale processo consiste nel mantenere il materiale a 170°C per circa 20 min, in tal modo si riattiva la mobilità atomica con formazione di precipitati che hanno funzione indurente aumentando il carico di snervamento, valori ottimali di indurimento si ottengono con quantità di carbonio pari a C=10-20 ppm. Quindi, tali acciai permettono di avere buona duttilità in fase di processo e buone proprietà in termini di resistenza in fase di utilizzo, infatti, i precipitati vanno ad aggiungere circa 40-50 MPa di resistenza al materiale già incrudito in fase di deformazione.
3. Acciai HSLA (High-Strength Low Density): Gli acciai ad elevata resistenza basso legati sono gli acciai altoresistenziali più diffusi e sfruttano due meccanismi di rafforzamento:
   • Precipitazione: La presenza di niobio Nb, titanio Ti e vanadio V portano alla formazione di nitruri e carburi, ovvero precipitati che hanno un effetto rafforzante poiché ostacolano il movimento delle dislocazioni innalzando il limite di snervamento.
   • Affinazione del grano: Niobio Nb, titanio Ti e vanadio V hanno la proprietà di inibire l’accrescimento del grano austenitico ad alte temperature. Un grano più fine corrisponde a una quantità maggiore di bordi grano che rappresentano un punto di arresto per le dislocazioni, in tal modo si ha un aumento delle prestazioni meccaniche.
   Quindi, grazie all’aggiunta di piccole quantità di niobio Nb, titanio Ti, vanadio V, molibdeno Mo e boro B è possibile conferire un aumento fino a 300 MPa del σ_sn.