Riassunto scienza e tecnologia dei materiali

Acciai

Il ferro sulla crosta terrestre è presente in diversi minerali; per la produzione dell'acciaio sono utilizzati solo quelli a percentuale in peso maggiore, tra cui i principali di seguito elencati:

Minerali principali

• Magnetite (Fe3O4): è un composto di ferro ferroso e ferrico (FeO, Fe2O3) con tenore in ferro effettivo del 60-70%. Questo minerale è intensamente magnetico, dotato di buona conducibilità elettrica ed è impuro per la presenza di ossidi di calcio e di magnesio, di silicio e di allumina.
• Ematite (Fe2O3): anche questo minerale è accompagnato sempre da impurezze e ha un contenuto effettivo in ferro percentuale in peso del 35-60%.
• Limonite (2Fe2O3 - 3H2O): è una miscela di ossidi ferrici idrati di composizione variabile.
• Siderite (FeCO3): è un carbonato di ferro che già all'aria si altera passando a limonite.
• Pirite (FeS): è di gran lunga il minerale più diffuso contenente il ferro; non può essere usato direttamente, perciò è più conveniente sfruttare le ceneri di arrostimento del minerale utilizzate per la produzione dell'acido solforico. Le ceneri contengono tracce di zolfo che va eliminato in quanto nocivo nelle utilizzazioni del metallo e corrosivo.

Processi siderurgici

La preparazione dell'acciaio usualmente passa attraverso due stadi:

• La riduzione del minerale in altoforno con produzione di ghisa (lega Fe-C dove il C è al 2-5% in peso).
• L'affinamento della ghisa con produzione di acciaio, ancora lega ma con il carbonio al tenore di 0,1% e con aggiunta di altri leganti particolari.

A questi seguono:

• La colata e solidificazione dell'acciaio.
• Lavorazioni per deformazione plastica a caldo (laminazione, forgiatura, …).

Altoforno

L'altoforno è l'impianto comunemente adottato per la produzione della ghisa di prima fusione, partendo da un minerale al 57% in ferro, da affinare successivamente. È un reattore a sviluppo verticale caratterizzato dalla bocca, dal tino, dalla sacca ed infine dal crogiolo. Proprio nel tino avvengono le reazioni di riduzione del minerale di ferro da parte di CO (proveniente dal coke siderurgico). Le reazioni sono esotermiche.

L'altoforno è un reattore in cui si muovono due flussi in controcorrente:

• La carica (minerali di ferro, ganga, fondenti, coke, calcare) introdotta dalla bocca.
• Una corrente gassosa, il vento d'altoforno (aria preriscaldata ad oltre 1000°C) che viene immessa nell'altoforno attraverso opportune tubiere.

Il crogiolo dispone di un foro per la colata della scoria e di due fori per la colata della ghisa. La temperatura nell'altoforno aumenta dall'alto in basso. Man mano che la carica scende nel tino, la temperatura sale fino a raggiungere il massimo al livello delle tubiere (anche fino a 1900°C). In tali condizioni avviene la combustione del carbonio con formazione di CO che agisce poi nelle parti superiori ai fini della riduzione del minerale:

• C + O₂ = CO₂ ΔH
• 2CO = CO₂ + C = 172000J

La riduzione degli ossidi di ferro avviene gradualmente, ad opera di CO, a mano a mano che scendono verso il basso, mentre il flusso gassoso di CO sale verso l'alto.

• Riduzione indiretta: Fe₂O₃ + 3CO = 2Fe + 3CO₂
• Riduzione diretta (solo nelle zone più calde): FeO + C = Fe + CO
• Parziale carburazione con formazione di cementite: 3Fe + 2CO = Fe₃C + CO₂

A questa temperatura la ghisa prodotta è allo stato fuso e si raccoglie sul fondo del crogiolo. Infatti la cementite dà col ferro un eutettico che fonde a 1147°C: si forma un po' di liquido nel quale si sciolgono altro ferro e altro carbonio. Anche la scoria, derivante dalla ganga, è allo stato fuso, ed essendo più leggera, galleggia sulla ghisa nel crogiolo. Sono presenti due fasi ben distinte. Ci sono poi ossidi di altri elementi (MnO, SiO₂, P₂O₅) che vengono a loro volta ridotti ad opera del C, e che si ritroveranno nella ghisa fusa. La ghisa caricata in trasportatori ferroviari (carri-siluro) è inviata in acciaieria; la loppa (scoria) è successivamente granulata e inviata in cementificio ove è utilizzata per la produzione di cemento d'altoforno.

Affinamento della ghisa

Lo scopo è diminuirne il tenore di carbonio tramite un processo di ossidazione, ed eliminare Si, Mn, P, S. La ghisa è trasformata in acciaio usualmente con il processo al convertitore. Si può integrare la carica con rottami d'acciaio. In esso una corrente dosata di ossigeno è insufflata e brucia a CO l'eccesso di carbonio. Si ottengono anche altri ossidi (si ossidano anche Si e Mn). Per tale motivo si aggiunge un fondente che scorifica galleggiando sull'acciaio fuso ed assorbe gli ossidi prodotti allontanandoli dal bagno di acciaio fuso prodotto, assieme all'eccesso di O₂ (acciaio effervescente). Il fosforo passa nella scoria come fosfato di calcio. Le reazioni di ossidazione sono esotermiche. L'acciaio così prodotto può venire addizionato di appropriate quantità di ghisa per portare la percentuale di carbonio ai valori desiderati.

Infine l'acciaio viene colato in lingottiere o mediante colata continua (60%). I lingotti vengono laminati a caldo.

Ulteriori lavorazioni

• Acciai extradolci C<0.15%
• Acciai dolci C: 0.15-0.25%
• Acciai semiduri C: 0.25-0.50%
• Acciai duri C: 0.50-0.75%
• Acciai extraduri C >0.75%

Microstruttura e proprietà

La microstruttura determina:

• La durezza del materiale
• La tenacità e la duttilità
• La deformabilità e la lavorabilità alle macchine utensili
• Le caratteristiche elettriche e magnetiche
• La resistenza alla corrosione

Fattori che influenzano la microstruttura:

• Composizione del materiale
• Velocità di riscaldamento
• Temperatura e tempo di trattamento
• Velocità di raffreddamento

Trattamenti termici

Procedimenti condotti spesso a temperature elevate con i quali le caratteristiche di metalli o leghe sono modificate per migliorare l'efficienza dei cicli di lavorazione cui saranno sottoposti e per conferire loro determinate proprietà. La microstruttura dei metalli e delle leghe può essere modificata con un riscaldamento controllato ed un successivo raffreddamento.

I principali fattori che influenzano la microstruttura ottenibile dai trattamenti termici, e che quindi devono essere ben controllati sono:

• Composizione del materiale (Fe, C, Cr, Ni, …)
• Velocità di riscaldamento (sufficientemente lenta da permettere il riscaldamento uniforme del pezzo)
• Temperatura di trattamento (es. <750°C se non voglio un acciaio austenitico)
• Permanenza alla temperatura di trattamento
• Velocità e modo di raffreddamento

Gli acciai sono sottoposti fondamentalmente a trattamenti di:

• Ricottura
• Normalizzazione
• Tempra
• Rinvenimento
• Bonifica= Tempra + Rinvenimento

Punto A₁ = temperatura minima alla quale può sussistere l'austenite (T eutettoidica)

Punto A₃ = temperatura al di sopra della quale l'acciaio è costituito totalmente da austenite

Intervallo critico dell'acciaio = intervallo di temperatura tra A₁ e A₃, entro il quale l'austenite si trasforma prima in ferrite e poi in perlite

Ricottura

Indica una serie di processi che portano ad un addolcimento dell'acciaio in modo da facilitarne le ulteriori lavorazioni. Si usa per: omogeneizzare la composizione dell'acciaio, ricristallizzare ed eliminare le dislocazioni e le tensioni interne indotte da precedenti lavorazioni per deformazione e dare infine migliori caratteristiche di lavorabilità e duttilità.

Ricottura completa:

1. Riscaldamento dell'acciaio (circa 50°C sopra A₃) → austenitizzazione
2. Raffreddamento lento in forno

Si ottiene: struttura mista ferrite e perlite

Ricottura da officina:

Riscaldamento a temperature di poco inferiori a A₁ → scopo: eliminare parzialmente l'incrudimento del materiale

Normalizzazione

1. Riscaldamento dell'acciaio (circa 50°C sopra A₃) → austenitizzazione
2. Raffreddamento in aria calma

Si ottiene: struttura mista ferrite e perlite, ma la perlite è costituita da cristalli più minuti rispetto a quelli ottenuti con la ricottura (qui il raffreddamento è più veloce → resistenza più alta) e non si ha la fragilità che si avrebbe con la tempra. La normalizzazione porta ad un addolcimento degli acciai a basso tenore di carbonio e di quelli poco legati, mentre può portare a strutture simili a quelle della tempra nel caso di acciai ad alto tenore di carbonio o di quelli legati.

Tempra

1. Riscaldamento dell'acciaio (circa 50°C sopra A₃) → austenitizzazione
2. Raffreddamento veloce (in acqua, soluzioni saline, sali fusi, olio, …)

Si ottiene: una struttura con reticolo distorto detta struttura di tempra. È la martensite, che si presenta dura e resistente a trazione, ma è anche molto fragile (bassa resilienza). Si esegue sui pezzi finiti in atmosfera leggermente riducente per evitare ossidazione superficiale. Se la percentuale di C è alta la tempra avviene più facilmente e, a parità di velocità di raffreddamento, si ottengono acciai più duri e fragili. Anche altri elementi di lega quali manganese, cromo, nichel, molibdeno, vanadio e tungsteno, facilitano la tempra e, se le loro percentuali sono elevate, essi si temprano per semplice raffreddamento all'aria. La martensite è una struttura monofasica di non equilibrio che risulta dalla trasformazione senza diffusione dell'austenite. Si forma quando la velocità di tempra è sufficientemente rapida da prevenire la diffusione del carbonio per dare ferrite + cementite. Tutti gli atomi di carbonio presenti nell'austenite rimangono nella martensite come impurezze interstiziali. Si costituisce così una soluzione solida sovrasatura in grado di trasformarsi rapidamente in altre strutture, se riscaldata a temperature tali da dare fenomeni di diffusione apprezzabili.

Rinvenimento

Si effettua su acciai che hanno subìto tempra o normalizzazione. Scopo: ridurre l'eventuale fragilità al fine di ottenere una certa resistenza agli urti a scapito di una piccola diminuzione della durezza. Si realizza scaldando a temperatura di poco inferiore a quella di trasformazione (a circa 720°C per gli acciai al Cr-Mo), per far avvenire i cambiamenti strutturali da martensite a perlite e si fa poi raffreddare lentamente in aria od olio. Se il trattamento di tempra è seguito da quello di rinvenimento, si ottiene un trattamento detto di bonifica applicato generalmente a bulloni, molle, chiavi, canne da fucile, blocchi per stampi. La dimensione delle particelle di cementite dipende da come si conduce il trattamento di rinvenimento (temperatura e tempo). All’aumentare della temperatura di rinvenimento si accelera la diffusione, la velocità di crescita delle particelle di cementite e di conseguenza la velocità di addolcimento.

Trattamenti di indurimento superficiale

Quando si desidera migliorare le proprietà di resistenza a fatica e la resistenza alla corrosione, vengono effettuati dei trattamenti superficiali. Lo scopo è quello di dare all'acciaio uno strato superficiale molto duro conservando al cuore una buona tenacità. Con questo trattamento la natura di un materiale viene modificata per diffusione di un elemento di lega a partire dalla sua superficie. A seconda dell'elemento diffondente diversi possono essere i tipi di trattamento tra i quali: cementazione, nitrurazione, carbonitrurazione, tempra superficiale, calorizzazione (diffusione con Al), cromizzazione (diffusione con cromo), silicizzazione (diffusione con silicio), cementazione allo zolfo.

Cementazione

Arricchimento in carbonio della zona superficiale. L'acciaio viene riscaldato al di sopra dell'intervallo critico e mantenuto in ambiente ricco di carbonio, il quale, a partire dalla superficie del pezzo, entra in soluzione nell'austenite diffondendo poi verso il cuore. La profondità di cementazione dipende da:

• Temperatura = per evitare la formazione di cementite ai bordi dei grani (infragilimento).
• Tempo = responsabile dello spessore dello strato desiderato.

Per assicurare resilienza alla parte interna del pezzo si trattano acciai a basso tenore di C (0.1-0.2%). A seconda del mezzo cementante usato, la cementazione può dividersi in:

• Cementazione solida: carbone di legna (80%) e diversi tipi di attivatori. Per arricchire l'ambiente di CO vengono usati degli attivatori come il carbonato di bario:
  • BaCO₃ + C → BaO + 2CO
• Cementazione liquida (o cianurazione): i pezzi di acciaio vengono immersi in un bagno di sali fusi in cui il componente principale è il cianuro di sodio; questo in presenza di ossigeno, si trasforma in cianato sodico:
  • 2NaCN + O₂ → 2NaCNO
  • 4NaCNO → Na₂CO₃ + 2NaCN + CO + 2N

  Il carbonio proveniente dal CO e l'azoto vengono assorbiti dall'acciaio dando allo strato superficiale una maggiore durezza.

• Cementazione gassosa: viene effettuata utilizzando gas che possono essere a base di CO o di idrocarburi con una piccola quantità di aria per realizzare una parziale combustione. Miscele di idrocarburi (es. CH₄): il carbonio, liberandosi per piroscissione, viene disciolto nell'ambiente diffondendosi.

Vantaggi:

• Strato carburato più uniforme
• Velocità di penetrazione più elevate
• Il pezzo può essere sottoposto a tempra diretta senza ulteriore riscaldamento

Trattamenti termici dopo la cementazione

• Tempra → riscaldamento a 800-820°C e brusco raffreddamento: struttura martensitica (durezza) sulla superficie e gli strati immediatamente sottostanti (%C circa 0.8)
• Riscaldamento fra A₁ e A₃ e brusco raffreddamento nel resto del pezzo: resilienza (il contenuto di C è troppo basso per risentire dell'effetto della tempra).
• Rinvenimento a 180°C: riduzione delle tensioni interne conseguenti al brusco raffreddamento

Nitrurazione

Processo di indurimento superficiale ottenuto per diffusione di azoto a temperatura di circa 500°C. A differenza della cementazione non necessita di ulteriori trattamenti termici. Viene in genere effettuata sugli acciai da bonifica con un tenore di carbonio compreso tra 0.2-0.4%. Il processo viene effettuato in ambiente di ammoniaca parzialmente dissociata (preriscaldata a 900°C):

• NH₃ → N + 3/2 H₂

L'azoto forma con il ferro e con gli elementi di lega dei nitruri su un sottile strato superficiale.

Vantaggi:

• Durezza superiore a quella ottenuta con la cementazione.
• Variazione durezza superficiale solo a T>550°C (Fe₄N inizia a trasformarsi in fasi meno dure).
• Per le basse temperature non si hanno distorsioni e deformazioni.
• Elevata resistenza alla fatica e alla corrosione.
• Non è necessario alcun trattamento termico successivo.

Svantaggio:

• Processo costoso

Tempra superficiale

Può essere eseguita su tutti gli acciai. È un trattamento puramente termico: riscaldamento sopra la A₃ solo di un sottile strato di metallo immediatamente adiacente alla superficie e successivo brusco raffreddamento.

• Si utilizza un cannello composto con miscele di ossigeno e acetilene e getto d'acqua.
• Nel riscaldo ad induzione (o riscaldamento ad alta frequenza) il calore necessario è generato per produzione elettromagnetica: il pezzo viene circondato da solenoidi percorsi da correnti ad alta frequenza la cui regolazione permette di agire sullo spessore del materiale interessato al passaggio della corrente.

Acciai legati

Gli acciai legati oltre a Fe e C contengono quantitativi non trascurabili di elementi di lega, appositamente introdotti.

Limitazioni degli acciai non legati:

• Carico di rottura inferiore a 690 MPa (perdita di duttilità e resilienza per valori superiori).
• Non possono essere prodotti pezzi con elevato spessore con struttura interna martensitica (non possono essere temprati in profondità).
• Bassa resistenza all'ossidazione e alla corrosione.
• La tempra deve essere effettuata molto velocemente per avere struttura interamente martensitica → deformazioni e cricche.
• Bassa resilienza a bassa temperatura.

Acciai speciali

Microstruttura e proprietà possono essere modificate con l'introduzione di altri elementi. Esempi: Si, Cr, V, Mo, W, Al: (elementi alfogeni) stabilizzatori α → sono più solubili nella ferrite che nell'austenite (cristallizzano come CCC) e favoriscono la formazione di ferrite.

Formano:

• Mn, Ni, Co, Cu (elementi austenitizzanti) stabilizzatori γ → soluzioni solide complete con l'austenite poiché cristallizzano CFC e hanno parametri reticolari simili → si possono ottenere acciai austenitici a temperatura ambiente, con maggiore facilità di tempra, fino agli autotempranti.

Influenza degli alfogeni e dei gammogeni:

• Innalzano o abbassano la T eutettoidica
• Spostano la composizione eutettoidica, aumentando o diminuendo la solubilità del C nel Fe ccc
• In soluzione solida (Ni, Si, Mn, Cr, Mo): ne aumentano la resistenza meccanica, ma ne riducono la tenacità
• Come carburi (V, Mo, Cr, Mn): aumentano la resistenza meccanica, al creep e all'usura
• Composti non metallici (ossidi, solfuri, silicati, …): riducono la resistenza a fatica

Gli elementi stabilizzanti dell'austenite (es. Ni, Mn) rimangono in soluzione solida nell'acciaio perché hanno minore tendenza del ferro a formare carburi.