-
GLI ELEMENTI NEGLI ACCIAI
Negli acciai, normalmente, oltre al carbonio sono presenti
tre
categorie di elementi:
1. Impurezze
2. Aggiunte standard
3. Elementi di lega.
IMPUREZZE.
ZOLFO E FOSFORO. Lo zolfo comporta linsorgere della cosdetta
fragilit a caldo, il fosforo pu comportare fragilit a
freddo.
IDROGENO. Lidrogeno sempre e comunque dannoso.
OSSIGENO. E quasi sempre presente sotto forma di ossidi.
Poco
dannoso.
AZOTO. Aumenta la resistenza del materiale, diminuendone tenacit
e
duttilit; in certi casi viene perci aggiunto di proposito.
Lazoto
causa del fenomeno dellinvecchiamento per deformazione, e
quindi deve essere controllato nei materiali che devono
subire
deformazione a freddo.
-
AGGIUNTE STANDARD.
MANGANESE.
Si trova in tutti gli acciai, con pochissime eccezioni. Il
motivo per cui viene
aggiunto la sua capacit di formare solfuri. Tipici tenori 0.3
0.5 % (non
considerato elemento di lega per tenori inferiori all1 %).
MICROALLIGANTI.
Lo scopo principale dei microalliganti (Nb, Ti, Ta)
sostanzialmente quello
di limitare laccrescimento del grano. (formazione carburi e
nitruri fini stabili
ad alta T). I pi frequenti sono Nb e Ti.
SILICIO E ALLUMINIO.
Servono essenzialmente ad eliminare lossigeno libero (sono
utilizzati negli
acciai calmati): Hanno unelevata affinit con lossigeno e formano
ossidi
molto fini e altofondenti. Per questi scopi il Si ha tenori
allincirca dello 0.3
% e lAl dello 0.06 %.
-
ELEMENTI DI LEGA
Laggiunta di elementi di lega agli acciai hanno come fine quello
di
incrementarne i limiti resistenziali (sS e sR maggiori)
senza
decrementare troppo la tenacit. Questo risultato strettamente
legato
ai trattamenti termici prima visti: la presenza degli elementi
di lega
permette di realizzare trattamenti termici che altrimenti non
sarebbe
possibile realizzare e comunque fanno s che i risultati siano
molto pi
soddisfacenti, in particolare per pezzi di elevato spessore. In
linea di
massima, quindi, gli elementi di lega migliorano la trattabilit
del pezzo.
Gli elementi di lega possono poi ordinarsi in base allAFFINITA
PER IL
CARBONIO, ovvero alla loro tendenza a FORMARE CARBURI.
N Co Al Si Fe Mn Cr Mo V Ta Nb Ti
-
Primo gruppo: acciai designati in base alle loro caratteristiche
meccaniche
(sottogruppo I.1), ed in base allimpiego (sottogruppo I.2). Per
questi
acciai non garantita la composizione chimica, ma solo le
caratteristiche
meccaniche o propriet particolari che ne determinano
limpiego.
Sottogruppo 1.1 Fe 410 Pb acciaio con R = 410 MPa contenente Pb
in
bassi tenori;
Sottogruppo 1.2 Fe P 03 acciaio in lamiera sottile per
imbutitura, grado di
qualit 03.
Secondo gruppo: acciai designati in base alla loro composizione
chimica. Messi in
opera dopo un opportuno trattamento termico che ne esalta alcune
caratteristiche.
Due sottogruppi: acciai non legati (II.1) e acciai debolmente
legati e acciai legati
(II. 2).
Acciai non legati (II.1) C 40 S acciaio non legato da
trattamento termico con
tenore medio di carbonio 0,4 % e con tenore minimo garantito di
zolfo.
sottogruppo II.2 :
Acciai debolmente legati (II.2): tenore di ogni elemento di lega
< 5 %
18 Ni Cr 16 tenore medio di carbonio 0,18 %, tenore di nichel di
circa il 4 % e con
tenore di cromo inferiore e imprecisato.
Acciai legati (II.2): X 10 CrNi 18 8 acciaio legato, con tenore
medio di carbonio
0,1 %, tenore di cromo di circa il 18 % e tenore di nichel di
circa l8 %.
CLASSIFICAZIONE DEGLI ACCIAI AL CARBONIO (UNI EU 27/77)
-
15
%%
5
%%%
6
%%
CuNiVMoCrMnCCeq
Acciai da Costruzione per uso generale
Impiego in costruzioni civili e a livello di produzione globale
sono sicuramente la
categoria di acciai pi importante (80 % produzione totale. Messi
in opera senza
trattamenti termici (o, al pi, dopo normalizzazione) e poco
costosi. Viene di
norma richiesto limite di snervamento specifico.
Bassa concentrazione di carbonio, solitamente inferiore a 0,15 %
a causa di una
caratteristica particolarmente importante per tali acciai: la
saldabilit. Durante la saldatura si raggiungono elevate
temperature, tali da portare il
materiale in campo austenitico. E fondamentale allora che si
limiti la formazione
di martensite durante il raffreddamento, fase troppo fragile per
le applicazioni
richieste (WELD DECAY). La formazione di martensite
determinata
principalmente dalla chimica del materiale. Si utilizza allora
un parametro, detto
carbonio equivalente, il controllo del quale garantisce la
saldabilit in
sicurezza del metallo.
< 0,45%
-
ACCIAI MICROLEGATI
Una particolare tipologia di tali acciai che sta assumendo
recentemente
grande importanza quella degli acciai microlegati, i quali
contengono
elementi come Ti, V e Nb che permettono un controllo delle
dimensioni
dei grani, promovendo pertanto un tipo di rafforzamento basato
su ridotte
dimensioni dei grani.
-
Acciai da bonifica
Bonifica = tempra + rinvenimento (550C650C).
Gli acciai da bonifica ( Es: C40) hanno il migliore compromesso
tra resistenza
meccanica e tenacit; valori indicativi: sS = 500 1000 MPa e sR =
600 1500 MPa.
Si possono aggiungere certi elementi di lega:
Carbonio: 0,25-0,6 %. Temprabilit e durezza della
martensite.
Manganese: sempre presente aumenta la resistenza del materiale
(per soluzione
solida), controlla lo zolfo e aumenta la temprabilit
dellacciaio.
Cromo (1% 2%): migliora la temprabilit (sposta a destra le curve
di Bain).
Molibdeno (0.1 % 0.5 %): riduce il pericolo di fragilit da
rinvenimento.
Nichel (0.5 % 4 %): aumenta temprabilit e tenacit, dunque
sarebbe bene
aggiungerlo in ogni tipo di acciaio; purtroppo costa molto.
Struttura sorbitica: Fe-a (aciculare) + cementite (sferica).
Gli acciai al carbonio si temprano in acqua o acqua agitata. Gli
acciai al C + Cr si
raffreddano in olio, riducendo cos gradienti termici e
possibilit di frattura.
Acciai da costruzione e vengono impiegati in tutti i particolari
altamente sollecitati
(alberi a gomito, assi, strutture ad alta resistenza etc.).
-
Acciai autotempranti
Sono acciai che prendono tempra in aria. Poich laria un
mezzo
raffreddante a bassa drasticit (bassa velocit di raffredamento),
dobbiamo
spostare a destra le curve TTT per permettere la tempra: questi
acciai hanno
in genere quantit elevate di elementi di lega. Un esempio :
34 Ni Cr Mo 16
Il vantaggio di raffreddare in aria, quello di poter temprare
pezzi con forma
complicata senza provocare fratture (nei pezzi di forma
complicata i
gradienti termici creano tensioni che nei punti angolosi
raggiungono livelli
molto alti).
Il riscaldamento di rinvenimento viene fatto in base alle
esigenze, seguendo
il solito grafico.
Tali acciai sono caratterizzati da un costo elevato, che ne
limita limpiego in
campi ristretti.
-
Acciai per molle Elevato carico di snervamento, prossimo al
carico di rottura. Non ci si
preoccupa quindi della tenacit.
1. Acciai non legati con lo 0.4 0.8 % di carbonio.
Lacciaio al C viene sottoposto ad un trattamento di patentamento
(ricottura
isoterma a 500C).
Successivamente si deforma plasticamente il pezzo in modo da
incrudirlo.
Lefficacia del trattamento dipende dallo spessore del pezzo; su
un pezzo ad
elevato spessore pu crearsi disparit di temperatura tra cuore e
superficie: pi
alto lo spessore pi la perlite grossolana (almeno nel
cuore).
Ma lo spessore interviene anche in fase di incrudimento: tanto
maggiore lo
spessore, tanto meno lincrudimento arriva al cuore del pezzo. In
base allo
spessore sS pu variare dai 3000 MPa ai 1500 MPa. Questo tipo di
acciai viene utilizzato anche per realizzare fili ad alta
resistenza
(come ad esempio i cavi di una funivia, ecc.)
2. Acciai debolmente legati.
Vengono usati quando lo spessore molto elevato. Tempra e
rinvenimento
relativamente basse. Elementi di lega:
Silicio (1.2%2.2%): alza sS a danno della tenacit.
Nichel, Cromo: hanno lo stesso ruolo che negli acciai da
bonifica.
Vanadio: aumenta la resistenza.
-
Acciai per cuscinetti a rotolamento
Questi materiali devono avere una buona resistenza ad usura da
rotolamento,
buona resistenza a fatica e buona tenacit. Il motivo dovuto alla
presenza dei
carichi concentrati variabili, che causano rottura per fatica;
si possono creare
microcricche superficiali, la cui propagazione porta ad unusura
di
delaminazione, ed al distacco di scaglie di materiale; se poi il
materiale non
tenace le microcricche si propagano rapidamente portando alla
rottura per
fatica. Queste caratteristiche vengono ottenute fornendo
unottima qualit al
materiale, ovvero riducendo al minimo le impurezze.
Acciaio tipico di questa famiglia: 100 Cr 6.
Questi materiali sono spesso ottenuti per rifusione sottovuoto:
in generale si fa,
come trattamento termico, una tempra con rinvenimento alle basse
temperature
per privilegiare la durezza (150200C). Lelevato tenore di cromo
impedisce la
lavorabilit dei pezzi; anche con una ricottura completa, la
lavorabilit pu
risultare insoddisfacente. In tali casi usuale sottoporre il
pezzo anche a
ricottura di sferoidizzazione, che spinge al massimo la
lavorabilit.
-
Acciai per utensili
Elevato tenore di elementi di lega formatori di carburi per
conferire grande durezza
al materiale. Due categorie:
1. acciai per le lavorazioni a freddo (cesoie, punzoni, lime,
utensili manuali.
Alta durezza e resistenza allusura fino a150C. Acciai ad alto C
con eventuali
modeste aggiunte di Cr, Mn e V. Raggiungono il massimo grado di
durezza possibile
(intorno ai 66HRC) degli acciai ma se la temperatura di lavoro
dellutensile sale la
durezza diminuisce per il rinvenimento della martensite.
2. Acciai per le lavorazioni a caldo (acciai rapidi) . Elevati
tenori di W, Cr e V (in percentuali del 18% W-4% Cr-1% V) con lo
0.8% di C e questi materiali
dopo la tempra martensitica subiscono un rinvenimento a circa
600-650C che
provoca un indurimento di invecchiamento. La struttura che si
viene cos a creare
ha elevata resistenza e durezza anche fino ai 500-550C
raggiungibili dagli utensili
durante le lavorazioni meccaniche (punte di trapano, utensili da
tornio, frese etc.).
A volte in questi acciai viene aggiunto il Co (acciai
super-rapidi) per evitare la
formazione di austenite residua durante la tempra che ne
comprometterebbe la
durezza.
-
)()(33 grafiteCFeCFe a
GHISE
Tenore di carbonio superiore a 2,14 %; in pratica, percentuali
di carbonio
comprese fra il 3 ed il 4,5 %.
Temperature di fusione comprese fra 1150 e 1300 C e basso ritiro
che
conferiscono una BUONA COLABILITA.
La cementite un composto metastabile sotto 860 C, e sotto
certe
circostanze pu dissociarsi a dare origine a ferrite-a e grafite,
secondo la
reazione:
La tendenza a formare grafite regolata dalla presenza di
elementi di lega
(grafitizzanti o meno), e dalla velocit di raffreddamento. La
formazione di
grafite promossa dalla presenza di silicio (elemento
grafitizzante) in
concentrazioni maggiori di circa 1 % e da basse velocit di
raffreddamento.
Quattro categorie principali:
Ghise bianche
Ghise grigie
Ghise nodulari
Ghise malleabili.
-
Le ghise bianche
Per ghise con basso contenuto di silicio e elevate velocit di
raffreddamento, la
maggior parte del carbonio si trova sotto forma di cementite
invece che di
grafite. La superficie di frattura di queste leghe ha un aspetto
bianco, e pertanto
sono state chiamate ghise bianche. Materiale estremamente duro e
non
lavorabile alle macchine utensili.
Il suo utilizzo limitato ad applicazioni
che necessitano di superfici
particolarmente resistenti allusura, e
senza richiesta di duttilit (ad esempio
come cilindri di laminazione).
-
Le ghise grigie
Contenuto di carbonio fra il 2,5 e il 4 % e silicio fra l1 e il
3 %. Nella maggior
parte delle ghise il carbonio si trova in forma fiocchi (simili
ai corn-flakes),
che sono generalmente circondati da una matrice di ferrite-a o
di perlite. La
superficie di frattura assume un aspetto grigio. Sono le ghise
pi impiegate.
Poco resistente e fragile per sforzi di
trazione, conseguenza della sua
microstruttura.
Presentano un alta capacit di
smorzamento vibrazionale.
Elevata resistenza allusura.
Alta fluidit allo temperatura di
colata, che permette la realizzazione
di pezzi di forma complicata.
basso prezzo.
-
Le ghise sferoidali (o duttili)
Aggiungendo piccole quantit di magnesio (Mg) o cerio(Ce) alla
composizione
di una ghisa grigia prima della colata, si formano noduli o
particelle sferoidali
di grafite. La fase che costituisce la matrice in cui sono
immerse le particelle
di grafite perlite oppure ferrite, a seconda del trattamento
termico.
Le ghise sferoidali sono pi resistenti e
duttili delle ghise grigie e hanno
caratteristiche meccaniche pi simili a
quelle degli acciai. Per esempio, le
ghise sferoidali a matrice ferritico
hanno una resistenza a trazione
compresa fra 380 e 480 MPa, e un
allungamento percentuale compreso fra
10 e 20 %. Le applicazioni tipiche per
questi materiali includono valvole,
pompe, alberi a gomito, cambi e altre
componenti per automobili.
-
Le ghise MALLEABILI Ottenute dalle ghise bianche per
riscaldamento a temperature dellordine di
800900C per un prolungato periodo di tempo e in unatmosfera
neutra (in
modo da prevenire la formazione di ossidi) per indurre
decomposizione
della cementite in grafite. La grafite risulta disposta in forme
a rosetta,
circondate da una matrice perlitica o ferritico, a seconda della
velocit di
raffreddamento finale.
Microstruttura simile a quella di una
ghisa sferoidale, e questo spiega la
relativa elevata resistenza e la buona
duttilit o malleabilit di questa ghisa.
Le applicazioni principali includono
bielle, ingranaggi di trasmissione,
supporti del differenziale, per lindustria
automobilistica, e ancora flange,
raccordi per tubi, e parti di valvole per
lindustria pesante, come ad esempio
quella ferroviaria o marina.
-
ACCIAI INOSSIDABILI (STAINLESS STEELS, INOX)
-
INOX FERRITICI %C < 0,1%
%Cr 13-26%
Elementi aggiuntivi: S,P (lavorabilit); Mo (corrosione)
ELI (Extra Low Interstitials): tenori assai bassi di C e N e con
aggiunte di Mo,
capaci per questo di resistenze a corrosione paragonabili agli
inox austenitici.
(AISI 444, noto anche come lega 18-2 (18 %Cr, 2% Mo).
-
INOX MARTENSITICI
%C 0,2-1,2%
%Cr 13-18%
Elementi aggiuntivi: S,P (lavorabilit);
- Inox austenitici C
-
Acciai austero-ferritici (duplex)
Cr = 18-28%; Ni= 4-6% e Mo 1,5-3%
-
Acciai inox indurenti per precipitazione
(PH, Precipitation Hardening)
A seconda della composizione e del tipo di trattamento termico,
si possono avere
acciai PH con struttura: Martensitica, Austenitica,
Semi-austenitica (struttura 5-20%
ferrite, una frazione martensitica e il resto austenite).
Ai fini delle diverse strutture possibili essenziale il
bilanciamento tra cromo
(alfageno) e Ni (gammageno).
Pi diffusi a matrice martensitica, di maggiore resistenza
meccanica. Per questi acciai si
usano di norma le sigle stabilite dai produttori. I PH prodotti
dalla ANCO e indicati dalla
sigla 17-4 PH (1.4542)
X5CrNiCuNb16.4) ; Per questo acciaio viene inserito il rame, con
tenori intorno al 3,5%.
In altri acciai si possono trovare niobio e spesso titanio. Il
trattamento termico a cui
questi acciai vengono assoggettati dipendono dalla struttura di
base.
I PH martensitici si rinvengono intorno a 450 C, con formazione
di particelle coerenti
(intermetallici titanio-nichel oppure rame-nichel).
I PH austenitici, di cui il 17-10 quello pi rappresentativo,
viene indurito con aggiunte di
fosforo oppure, con aggiunte di Ti o Nb. In questo caso si
invecchia a temperature un
po pi alte (intorno a 600 C) con formazione di Ni3Ti e
Ni3Al.
COMPOSIZIONE CHIMICA INDICATIVA 17-4 PH
C S Nb Cu Mn Cr Ni Mo Si
0.02 0.025 5xC 3.20 0.70 15.5 4.5 0.20 0.35
-
Lavorabilit (truciabilit) alle macchine utensili degli inox.
Le lavorazioni per asportazione di truciolo prevedono luso di
utensili con spigolo taglient che,
premuto contro il pezzo, esercitano pressioni specifiche tali da
rompere la struttura del materiale.
Tre principali modalit di formazione del truciolo:
1 truciolo continuo che scorre senza interruzioni e spesso
provoca problemi
di intralcio (materiali duttili);
2 truciolo continuo con formazione tagliente di riporto con
incollamento del
materiale incrudito sul tagliente dellutensile. Il riporto
periodicamente si distacca e
si riforma, modificando la gometria dellutensile, comportando
surriscaldamenti
locali e cattiva finitura superficiale del pezzo;
3 formazione di truciolo discontinuo che si allontana dalla zona
di lavoro;
tipico dei materiali fragili e dei materiali a lavorabilit
migliorata.
-
produzione acciaio liquido
-
ALTOFORNO Flusso in controcorrente con CO e CO2 dalla
combustione di aria preriscaldata. Il COKE
brucia con formazione di CO2:
C + O2 CO2 (fornisce il 56% del calore)
Lanidride carbonica reagisce con leccesso di
carbone:
CO2 + C 2CO 170 kJ (24% del calore)
Nella parte alta del forno la carica viene
essiccata e preriscaldata; poi, man mano che
scende allinterno del forno, laumento di
temperatura fa s che il gas eserciti la sua
azione riducente secondo le reazioni:
3 Fe2O3+ CO 2 Fe3O4 + CO2
Fe3O4+ CO 3 FeO + CO2
FeO+ CO Fe + CO2
PRODUZIONE 1500 TONNELLATE GHISA/g
-
Principali reazioni nellaffinazione :
2(FeO)+1/2O2(g) = (Fe2O3)
(Fe2O3) = 2(FeO)+[O]
[Fe] + [O] = (FeO)
[C] + [O] = CO(g)
[Mn] + [O] = (MnO)
[Mn] + (FeO) = (MnO) + [Fe]
[Si] + 2[O] = (SiO2)
2[P] + 5 [O] = (P2O5)
[S] + (CaO) = (CaS) + [O]
[S] + (MnO) = (MnS) + [O]
[S] + (MgO) = (MgS) + [O]
Le parentesi () si riferiscono ad
elementi/composti disciolti nella scoria, le
parentesi [] agli elementi disciolti nel bagno
metallico. Tutte le reazioni di ossidazione
sono esotermiche. L' incremento della
temperatura nel convertitore favorisce la
fusione dei rottami di ferro (introdotti
insieme alla ghisa) e mantiene la scoria
fusa.
CONVERTITORE
AFFINAZIONE GHISA-ACCIAIO
-
COLATA CONTINUA
-
LAMINAZIONE A CALDO ED A FREDDO.
-
IL CICLO A FORNO ELETTRICO (EAF)
Al ciclo integrale, si affianca un
secondo ciclo di produzione
dell'acciaio che si basa sull'acciaieria
elettrica e vede fondamentalmente
nel rottame la propria materia prima.
L'acciaieria elettrica si articola
intorno a tre elementi impiantistici
principali: il forno elettrico, il forno
siviera, i dispositivi di solidificazione
che possono essere la macchina di
colata continua cos come la fossa di
colata.
-
PRODUZIONE ACCIAI INOSSIDABILI
-
Processi produttivi degli acciai inossidabili. Elaborazione di
acciai provenienti da cicli produttivi di base che partono
rispettivamente da minerali ferrosi o da rottami. Nel ciclo da
minerale, si
parte dallaltoforno per la produzione della ghisa, si esegue
una
defosforazione e si opera con un convertitore con lancia di
ossigeno per
produrre lacciaio convenzionale, aggiungendo in questo caso
leghe ferro-
cromo e minerale di cromo. Si ottiene un acciaio di
composizione
prossima a quella voluta ad eccezione del carbonio ancora a
tenori
relativamente elevati. Di qui, due principali processi di
elaborazione dellacciaio fuso:
1. VOD (Vacuum Oxigen Decarburization) : ossidazione sotto vuoto
dellacciaio fuso, con insufflaggio di ossigeno. Lallontanamento
continuo
dellossido di carbonio permette di scendere a tenori di
carbonio
dellordine di 0,015 % ed inferiori, senza avere parallelamente
ossidazione
del cromo.
2. AOD (Argon Oxigen Decarburization): variante di funzionamento
di un convertitore. Si insuffla una miscela di ossigeno e argon
allo scopo di
diluire lossido di carbonio che si sviluppa nella massa liquida.
E
possibile decarburare lacciaio fino a tenori molto bassi, senza
ossidare
sostanzialmente il cromo.
-
Gli inox sono tendenzialmente poco lavorabili alle macchine
utensili
rispetto agli acciai al carbonio, gli austenitici ancor meno
dei
ferritici e martensitici, per le seguenti ragioni:
a) I carichi di rottura degli inox, anche allo stato addolcito,
sono sensibilmente superiori
di quelli degli acciai al carbonio nelle medesime
condizioni;
b) Il rapporto tra carico di rottura e carico di snervamento pi
elevato negli inox che
non negli acciai al carbonio nelle analoghe condizioni di
ricottura;
c) La tendenza allincrudimento per deformazione plastica a
freddo maggiore per gli
inox e questo comporta una maggior sollecitazione sul tagliente
dellutensile;
d) Gli acciai martensitici ad alto carbonio (AISI 440 A/B/C)
contengono unalta frazione
di carburi di cromo (assai duri) che provocano rapida usura
degli utensili;
e) La conducibilit termica degli inox, in special modo per gli
austenitici, minore
rispetto agli acciai al carbonio e questo comporta maggiori
surriscaldamenti
dellutensile;
f) Il coefficiente di dilatazione termica degli austenitici
superiore a quello degli acciai al
carbonio e c maggior tendenza del pezzo a forzare
sullutensile;
g) Il truciolo prodotto risulta sovente continuo e di difficile
spezzettamento.
-
Per particolari caratteristiche di purezza:
VIM = Vacuum Induction Remelting, con forno a induzione sotto
vuoto;
VAR = Vacuum Arc Remelting, rifusione con forno ad arco sotto
vuoto;
EBM = Electron Beam Melting, con forno a fascio elettronico;
EBR = Electron Beam Remelting, processo di rifusione a fascio
elettronico;
ESR = Electro Slag Remelting,
ESR: processo di rifusione di lingotti di inox ottenuti in modo
convenzionale,
qualora si desiderino materiali a bassa densit di inclusioni non
metalliche e
di segregazioni. Il procedimento consiste nel rifondere il
lingotto, utilizzato
come elettrodo di un normale procedimento ad arco sommerso. La
fusione
avviene sotto protezione di una scoria basso fondente ed
elettroconduttrice.
Le gocce di acciaio fuso si affinano disponendosi nella
sottostante
lingottiera, cos da riformare goccia a goccia il nuovo
lingotto.
-
ACCIAI INOX RISOLFORATI
-
Tab. 3 - DESIGNAZIONE CONVENZIONALE DELLALLUMINIO E
DELLE LEGHE DI ALLUMINIO
Principale elemento di lega Classe secondo la
Alluminium Association
Al ( 99,00 %)
1 xxx
Rame
Manganese
Silicio
Magnesio
Magnesio e Silicio
Zinco
Altri elementi
Serie non usuale
2 xxx
3 xxx
4 xxx
5 xxx
6 xxx
7 xxx
8 xxx
9 xxx
Leghe di alluminio: designazione
-
Tab. 4
SIGLE DEGLI STATI METALLURGICI
DELLALLUMINIO E DELLE LEGHE DI ALLUMINIO
Sigla Strato metallurgico
F Grezzo di lavorazione
O Ricotto, ricristallizzato
H xy (z) Incrudito
H 1y (z) Incrudito
H 2y (z) Incrudito e parzialmente ricotto
H 3y (z) Incrudito e stabilizzato
H x 9 (z)
8 (z)
6 (z)
4 (z)
2 (z)
Extra-incrudimento
Massimo incrudimento
di incrudimento
semi-incrudimento
di incrudimento
H xy (z) Grado di controllo della laminazione o combinazione
di propriet meccaniche
W (xxh) Temprato e invecchiato naturalmente (seguito dal
tempo di invecchiamento)
Tx (yy) Trattato termicamente
-
Tab. 5
SIGLE DEGLI STATI METALLURGICI
DELLALLUMINIO E DELLE LEGHE DI ALLUMINIO
TRATTATO TERMICAMENTE
Sigla
Stato metallurgico
T1 (yy)
T2 (yy)
T3 (yy)
T4 (yy)
T5 (yy)
T6 (yy)
T7 (yy)
T8 (yy)
T9 (yy)
T10 (yy)
Ricotto e invecchiato naturalmente
Ricotto, incrudito e invecchiato naturalmente
Temprato, incrudito e invecchiato naturalmente
Temprato e invecchiato naturalmente
Ricotto e invecchiato artificialmente
Temprato e invecchiato artificialmente
Temprato e stabilizzato per il controllo della
crescita del grano
Temprato, incrudito e invecchiato artificialmente
Temprato, invecchiato artificialmente e incrudito
Ricotto, incrudito e invecchiato artificialmente
Tx (yy)
Variazioni introdotte nelle condizioni usuali di
lavorazione
-
Indurimento per precipitazione: Leghe SERIE 2000/6000/7000
-
Invecchiamento artificiale leghe di alluminio
alto-resistenziali
-
Variazione della temperatura di invecchiamento artificiale
-
RAME. Per evitare l'infragilimento da H nel rame deossigenato,
si aggiunge P.
stando attenti ai tenori residui.
As migliora R a T elevate
Te migliora la lavorabilit
2% Be trattabile termicamente
OTTONI Mediamente contengono dal 10 al 45% Zn e con varie
addizioni
originano una vasta gamma di leghe.
Ottoni Monofasici a fino al 37% Zn (in leghe binarie) + 1% Sn
Lega Ammiragliato
+ 2% Al Ottone all'Alluminio
+ 1-2% Pb miglioramento lavorabilit
RAME E SUE LEGHE
-
OTTONI a ROSSI.
Sono gli ottoni a pi basso tenore di zinco ( dal 5 al 20 % ) ,
risultano
facilmente lavorabili a freddo ( la lavorabilit decresce al
crescere del
tenore di Zn ) , hanno colore variabile dal rosso al giallo e
una
resistenza alla corrosione migliore degli altri ottoni
essendo
praticamente immuni ai problemi di dezincificazione e di
season
cracking , risultano per pi costosi a causa dellalto contenuto
di rame
.
Materiale Composizion
e
Stato R kg / mm2 Rs kg / mm2 A %
Dorato 95 Cu 5 Zn Ricotto 24 7.6 45
Duro 38.5 34.5 5
Commerciale 90 Cu 10 Zn Ricotto 26 8.3 45
Duro 42 37 5
Rosso 85 Cu 15 Zn Ricotto 28.5 9.7 46
Duro 48 39 5
Basso 80 Cu 20 Zn Ricotto 31.5 10.5 48
Duro 51 40 7
-
OTTONI a GIALLI.
Sono leghe contenenti dal 20 al 36 % di Zn ; accoppiano buone
caratteristiche
meccaniche a una ottima duttilit prestandosi per lavorazioni
plastiche a
freddo e con piccole aggiunte di piombo anche a quelle per
asportazione di
truciolo alle macchine utensili .
Questi ottoni sono per soggetti a season cracking e
dezincificazione ;
problemi che vengono ridotti con piccole aggiunte di Sn ( 1 % )
o di Al ( 2 % )
. Materiale Composizione Stato R kg / mm2 Rs kg / mm2 A %
Cartridge 70 Cu 30 Zn Ricotto 34 11.5 57
Duro 52.5 43.5 8
Giallo 65 Cu 35 Zn Ricotto 34 11.5 57
Duro 51 41.5 8
Al piombo 65 Cu 34 Zn 1
Pb
Ricotto 34 11.5 54
Duro 51 41.5 7
Ammiragliato 71 Cu 28 Zn 1
Sn
Ricotto 36.5 11.5 65
Duro 67 ----- 4
-
Materiale Composizione Stato R kg / mm2 Rs kg / mm2 A %
Muntz 60 Cu 40 Zn Ricotto 37 14.5 45
Semiduro 48.5 34.5 10
Free-cutting 61.5 Cu 35.5 Zn
3 Pb
Ricotto 34 12.5 53
Semiduro 40 31 25
Navale 60 Cu 39 Zn 1
Sn
Ricotto 40 18.6 45
Semiduro 55.2 39 20
OTTONI a. Contengono dal 35 al 40 % di Zn e hanno di conseguenza
una struttura a
temperatura ambiente di tipo bifasico . Sono lavorabili a caldo
quando , al di sopra
dei 460 C e mostrano una suscettibilit maggiore degli ottoni a
alla dezincificazione
Fra i pi usati il Muntz ( 60 Cu 40 Zn ) che accoppia elevata
resistenza e
lavorabilit a caldo e , il Navale ( 60 Cu 39 Zn 1 Sn ) ottimo
per la resistenza a
corrosione in ambiente marino .
-
BRONZI
BRONZI AL FOSFORO.
Contengono dall1 al 12 % di stagno e mostrano caratteristiche
meccaniche e
durezza superiori a quelle del rame accoppiate unottima
resistenza alla corrosione in
ambiente marino ; presentano inoltre una migliore resistenza
allusura e quindi alla
corrosione erosione e una maggiore opposizione al biofouling
.
Caratteristiche meccaniche :
Materiale Composiz. Stato R kg / mm2 Rs kg / mm2 A %
C50500 98.7 Cu 1.3
Sn
Ricotto 27.6 7.6 47
Duro 42 41.4 5
C51000 94.8 Cu 5
Sn 0.2 P
Ricotto 34 14 58
Duro 56 51.5 10
C52100 92 Cu 8 Sn Ricotto 40 --- 65
Duro 64 49.5 10
C52400 90 Cu 10
Sn
Ricotto 45.5 --- 68
Duro 69 --- 13
-
BRONZI AL SILICIO.
In queste leghe commerciali il tenore di silicio varia dall1.5
al 3 % e in
genere aggiunto un terzo elemento di lega come ferro , manganese
, zinco
o stagno in quantit fra lo 0.25 e l1.25 % . I bronzi al silicio
mostrano
caratteristiche meccaniche e resistenza alla corrosione buone e
crescenti al
crescere degli elementi di lega mentre la lavorabilit decresce
allaumentare
degli alligati. Essendo , per i tenori di silicio usati ,
presente una sola fase su
questi bronzi non sono possibili trattamenti termici di
rafforzamento che pu
essere ottenuto solo per deformazione plastica a freddo . Fra i
molti usi di
questi materiali segnaliamo quelli in apparecchiature chimiche
resistenti alla
corrosione , in scambiatori e parti di valvole o pompe
Materiale Composiz. Stato R kg / mm2 Rs kg / mm2 A %
C65100 98.5 Cu
1.5 Si
Ricotto 27.5 10.5 50
Duro 48.5 38 12
C65500 97 Cu 3 Si Ricotto 40 15 60
Duro 63.5 38 22
-
BRONZI ALLALLUMINIO. Sono leghe rame alluminio apprezzate ed
usate per le loro ottime caratteristiche
meccaniche , di resistenza allusura e allossidazione a caldo e
di resistenza alla
corrosione . Questultima in particolare dovuta alla formazione
superficiale di un
sottile strato protettivo di allumina che se anche asportato si
riforma quasi
istantaneamente .
I cuproallumini commerciali possono esibire microstrutture
diverse variando il
tenore di alluminio e dosando altri opportuni elementi di lega
possibile ottenere
molti tipi di cuproallumini che per semplicit classificheremo
come :
Cuproallumini binari monofasici
Cuproallumini binari bifasici
Cuproallumini complessi monofasici
Cuproallumini complessi polifasici
Gli usi dei cuproallumini sono molti e in molti campi ; per
quanto riguarda
quelli tipici dellindustria chimica possiamo ricordare gli
impieghi per serbatoi o
apparecchiature in contatto con soluzioni acide o saline , per
tubi e piastre di
scambiatori o condensatori , per evaporatori , parti di pompe o
valvole e tubature
in genere anche in ambiente marino .
-
TITANIO E SUE LEGHE INDUSTRIALI
Il Titanio esibisce unottima resistenza a creep ed alla
corrosione in ambiente
ossidante, in corrispondenza
Di buoni livelli resistenziali e con peso specifico molto
inferiore a quello
dellacciaio (circa 4,5 g/cm3).
Le nuove tecniche di produzione ne hanno diminuito il costo,
rendendolo pi
competitivo.
Il Titanio puro polimorfo ed esibisce 2 strutture
cristallografiche:
1. TITANIO a , reticolo esagonale compatto, stabile fino a 880
C;
2. TITANIO , reticolo cubico corpo centrato, stabile per T>
880 C
Il Titanio a T>500 C tende ad assorbire ossigeno e azoto e
idrogeno e reagisce
con il
Carbonio. E quindi necessario predisporre adeguata protezione.
Ottima
resistenza a corrosione e notevoli applicazioni nellindustria
chimica. Ottime
RESISTENZE SPECIFICHE e applicazioni nellindustria
aerospaziale.
Le leghe industriali utilizzano elementi di lega che possono
alzare o abbassare
la temperatura di trasformazione polimorfica --- a e dare un
contributo di
rafforzamento per soluzione solida.
-
Elementi stabilizzanti la fase a Al, O, N
Elementi stabilizzanti la fase V, Mn, Cr, Fe, Nb, Ta
In base alla struttura stabile a temperatura ambiente, si
distinguono in:
LEGHE a Struttura titanio puro. Impiegate allo stato ricotto,
hanno eccellenti propriet meccaniche dalle basse temperature fino a
550 C.
Sono duttili e facilmente saldabili.
LEGHE - struttura cubico corpo centrato. Poco usate.
LEGHE a + a struttura bifasica. Possono indurirsi per tempra
e
invecchiamento
Tipo struttura %Al %V %Altri R Rs0.2 Impieghi
a 5 - Sn=2,5 900 850 App. industria chimica
a + Mn =8 900 800 Aeronautica
T -250-350 C
a + 6 4 950 850 Aeronautica
T -250-350 C
-
MAGNESIO E SUE LEGHE
Il magnesio il pi leggero tra i metalli da costruzione di
interesse industriale
(peso specifico
1,74 g/cm3, cio 2/3 di quello dellalluminio). Le caratteristiche
meccaniche sono
comunque mediocri e si sono sviluppate quindi opportune leghe.
Ha una
struttura esagonale compatta ed quindi poco deformabile a
temperatura
ambiente, tanto che si producono componenti per lo pi per
fusione seguita
dopo raffreddamento da lavorazione a caldo. Si sono messe a
punto
principalmente leghe MAGNESIO-ALLUMINIO, MAGNESIO-ZINCO,
MAGNESIO-Al-Zn.
Sigla UNI %Al %Mn %Zn stato R R0,2 A% Applicazioni
MgAl8,5ZnMn 8,25 0,25 0,65 getto 137 78 2 getti leggeri
TA 235 118 3
MgZn5,5Zr 5,5 +Zr0,7% estruso 294 216 5 buone res,
meccaniche
-
SUPERLEGHE PER ALTE TEMPERATURE
Le superleghe offrono eccezionali combinazioni di propriet. In
linea di massima possono classificarsi
sulla base dei principali elementi leganti:
1. Leghe a base NICHEL (INCONEL, NIMONIC, HASTELLOY ecc.)
2. Leghe a base cobalto (STELLITI)
3. Leghe a base metalli refrattari (cromo, vanadio, molibdeno,
niobio).
Per una lega resistente ad alta temperatura si pu pensare come
prima cosa di impiegare un metallo
base con elevato punto di fusione, in lega con elementi in grado
di fornire un rafforzamento per
dispersione stabile ad altissima temperatura (precipitati per
invecchiamento artificiale o immissione
di particelle dure e stabili per metallurgia delle polveri
PM).
LEGHE BASE NICHEL. Queste leghe sono molto impiegate per
palettature di turbine a gas e in molte applicazioni
dellindustria
chimica e petrolchimica. Hanno grande resistenza in ambienti
corrosivi (ad eccezione di quelli
contenenti zolfo) fino a temp. Di 1200-1300 C e ottima
resistenza a CREEP. Le LEGHE INCONEL
contengono cromo intorno al 15 % e alcuni tipi Ti e Al (INCONEL
700) per precipitazione indurente
e maggiore resistenza a creep.
%Cr %C %Fe %Al %Ti %Altri
INCONEL 600 15,8 0,04 7,2 - - - X-750 15,0 0,04 6,7 0,8 2,5
Nb=0,85
NIMONIC 115 15,5 0,15 1,0 5,0 4,0 -
HASTELLOY C-22 22,0 0,010 3 W=3,0 ; Mo=13 ; Co=3
-
Esercitazione di metallografia
Osservazione e studio dei costituenti strutturali e della
microstruttura dei
materiali metallici.
Finalit principali:
Valutazione degli effetti sulla microstruttura di trattamenti
termici, termochimici, termomeccanici e di deformazioni plastiche a
caldo o a freddo;
Individuazione di difetti quali microvuoti, inclusioni non
metalliche (ossidi,
solfuri) o cricche;
studio della correlazione fra microstruttura e caratteristiche
meccaniche.
Possiamo dividere lindagine metallografica in due branche
principali:
la Macrografia, cio losservazione a basso ingrandimento
(1x-10x);
la Micrografia, ovvero losservazione ad ingradimenti pi elevati
(da 50x a
1000x, per quanto riguarda il microscopio ottico)
-
Esercitazione di metallografia
Scelta e prelievo del campione
-
Esercitazione di metallografia
Inglobamento
Si utilizzano solitamente resine acriliche termoindurenti che
scaldate a
temperature dellordine dei 150 C e portate in pressione danno
origine ad una
reazione di polimerizzazione.
In questo modo si riesce a creare una matrice plastica che
ingloba il campione e lo
rende pi maneggevole per le successive operazioni di lucidatura
e attacco chimico,
specie se di piccole dimensioni.
-
Esercitazione di metallografia
Levigatura e Lucidatura
Si utilizzano carte abrasive al carburo di silicio.
Si parte da carte di granulometria elevata in modo da sgrossare
il campione,
successivamente si utilizzano carte sempre pi fini, in modo da
diminuire sempre
pi le dimensioni dei solchi lasciati dalle carte.
La fase finale consiste nella lucidatura a specchio della
superficie interessata
tramite lutilizzo di un panno su cui depositata della pasta
formata da cristalli di
diamante di dimensioni micrometriche.
-
Esercitazione di metallografia
MICROSCOPIO OTTICO
-
Esercitazione di metallografia
Attacco Metallografico e Osservazione al Microscopio Ottico
Lattacco metallografico
utilizza reagenti chimici
capaci di aggredire in modo
differenziato le diverse
strutture del metallo:
bordi di grano;
fasi diverse;
superfici di separazione fra
fasi diverse;
inclusioni;
precipitati;
-
LEGA 6061 BARRA LAMINATA A FREDDO
-
PRINCIPALI STRUTTURE METALLOGRAFICHE
DEGLI ACCIAI
Ferrite:
grani poligonali di
forma tondeggiante;
aspetto chiaro;
non sembra attaccata
ad ingrandimenti non
troppo elevati.
-
PRINCIPALI STRUTTURE METALLOGRAFICHE
DEGLI ACCIAI
Austenite:
grani poligonali
maggiormente squadrati
rispetto a quelli della
ferrite;
presenza di piani
geminati;
evidenziabile in acciai
inox austenitici, non
una fase stabile a
temperatura ambiente.
-
PRINCIPALI STRUTTURE METALLOGRAFICHE
DEGLI ACCIAI Perlite:
si presenta in noduli
non omogenei formate da
laminette alternate di
ferrite e cementite;
Negli acciai
difficilmente
distinguibile anche con
lausilio del MO, pi
evidente nelle ghise;
Negli acciai ipo- i
noduli di perlite sono
circondati da grani di
ferrite; in quelli iper- da
placche di cementite.
-
PRINCIPALI STRUTTURE METALLOGRAFICHE
DEGLI ACCIAI
Martensite:
presenta aspetti
differenti a seconda delle
tipologie di acciai e di
raffreddamento;
In generale si presenta
in forme aciculari: cio
ad aghetti e a placchette.
-
Martensite
Rinvenuta (Sorbite):
E la struttura tipica
degli acciai bonificati;
costituita da ferrite
aciculare e carburi
dispersi;
le dimensioni dei
carburi sono troppo
piccole per essere risolte
al MO.
PRINCIPALI STRUTTURE METALLOGRAFICHE
DEGLI ACCIAI
-
Ferrite-Perlite:
struttura tipica degli
acciai ipoeutettoidici
normalizzati;
costituita da noduli di
perlite immersi in una
matrice ferritica;
il MO non in grado
di risolvere la struttura
delle lamelle di perlite,
che appaiono quindi
come grani
uniformemente scuri.
PRINCIPALI STRUTTURE METALLOGRAFICHE
DEGLI ACCIAI
-
ACCIAIO INOX FERRITICO AISI 430
Sezione trasversale Sezione longitudinale
-
Sez.trasv. Sez.long.
8 mm, AISI 430FR (attacco Kallings 2)
-
Sez.trasv. Sez.long.
AISI 416 (attacco Kallings 2)
-
AISI 440 C - Matrice martensitica con presenza di carburi
primari e secondari