Energy Engineering - Metallurgia

Classification of steels

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CAPITOLO 7 – GLI ACCIAI L’acciaio rappresenta la lega più utilizzata in campo meccanico . Essa è principalmente composta da ferro e carbonio (fino al 2,11% ). 7.1 Classificazione degli acciai Dato il gran numero di acciai è indispensabile una loro classificazione. Esistono varie normative che possono avere notevoli differenze. 7.1.1 La classificazione secondo la normativa UNI EN 10027 Acciai Gruppo 1 (nome in base alle caratteristiche meccaniche o fisiche) Acciai da costruzione di uso generale 11 sottogruppi Gruppo 2 (nome in base alla composizione chimica) Acciai speciali da costruzione Non legati, con Mn5% Acciai per utensili Acciai non legati con Mn>1%; Acciai non legati per lavorazioni meccaniche con el1%; Acciai non legati per lavorazioni meccaniche con el 0,20 % > 0,20 % ≈ 0,50 %, (0,50 -1,00 per quelli al solo carbonio) > 0,25 % < 0,20 % Si (non in lega , solo molle ) < 1 % < 1 % 1,5 % - 2,0% < 1 % < 1 % Mn (non in lega) (~ C) Presente /Assente Presente/Assente Presente/Assente Presente/Assente Presente/Assente Ni Presente/Assente Assente Presente/Assente 5% < Ni+Cr+C < 7 % Presente/Assente Cr Presente/Assente 1,5 % - 1,7% Presente/Assente Presente/Assente Mo (Se c’è Cr) (Se c’è Cr) (Se c’è Cr) (Se c’è Cr) Presente/Assente V Presente/Assente Presente/Assente Presente/Assente Presente/Assente Presente/Assente Al Assente 0,5% - 1,5% Assente Assente Assente σmax [MPa] 500/1500 500/1500 1300/1800 1700/2500 500/1500 Tr [°C] 600 600 450 200 150 ॒ࣿࣳऊ (߆ߑߒߑ ުߑߐߋ߈ߋ߅߃ )ිࡰ౅ౄ+хࡰూ߈(޼޼)+๓ хࡰౄో ౧ ౢ ිϻϸϸ +ߐдϹϸϸϸ дЮޫ+Ϲϸϸ (޻ߋ−ϸɧϻ)+ϹϽϸ (޵ߐ −ޫ)+ϼϸ޶ߋ+ϹϽϸ ޫߔ+ϻϸϸ ޵ߑ +Ͽϸϸ ޾+Ͻϸީߎ±ϹϸЮ È bene ricordarsi che, in assenza di valori numerici, il tenore percentuale di un elemento è pari ad 1 . Inoltre, nella maggior parte dei casi, con 1% di Cr si ha lo 0.3% di Mo. Il valore di n è funzione della temperatura di rinvenimento ed è legato alla diminuzione di resistenza meccanica al crescere della temperatura. Tr [°C] n 600 1 450 2,3 200 3,8 150 4 Il carico di snervamento è circa il 70% del carico di rottura: एऍञकएछअचऑञढऍङऑचठछ ිϸɧϿ×॒ࣿࣳऊ . Per le molle, invece: एऍञकएछअचऑञढऍङऑचठछ ිϸɧЁ×॒ࣿࣳऊ . 7.3.1 Acciai da bonifica Essi sono gli acciai speciali da costruzione più utilizzati e si chiamano così perché subiscono il trattamento di bonifica , indispensabile perché essi assumono la massima resistenza meccanica. Tale trattamento li rende adatti a sopportare sforzi, urti e vi brazioni . Tuttavia l’elevato contenuto degli elementi di lega comporta una limitata saldabilità . La normativa di riferimento è la UNI EN 10083 e divide questi acciai in due sottofamiglie: al solo carbonio e debolmente lega ti. Per aumentare le caratteristiche meccaniche e la temprabilità si può aumentare il quantitativo di carbonio ma , di contro, questo porta ad una diminuzione della resilienza . Perciò per incrementare i due parametri si preferisce aggiungere tenori limitati di elementi come Cr e Ni . E siccome il cromo potrebbe provocare fragilità da rinvenimento (malattia di Krupp , dovuta all’esposizione del Cr a 550 -600°C durante la bonifica ), allora si aggiunge anche Mo . Per componenti di piccole dimensioni è possibile utilizzare acciai al sol o carbonio raffreddati in acqua, mentre per componenti di medio -grandi dimensioni si utilizzano i debolmente legati raffreddati ad olio. Per gli acciai da bonifica il ciclo è il seguente: rigenerazione , lavorazione alle macchine utensili di sgrossatura , bonifica (Tr = 600°C) e lavorazione alle macchine utensili di finitura . Alcuni esempi sono: C22, C35, C40 C45 (al solo carbonio), 25CrMo4, 42CrMo4, 39NiCrMo3 e 34CrMo4 (debolmente legati). Questi acciai vengono impiegati per componenti che nec essitano una resistenza meccanica medio -alta : aste, pistoni, bulloneria e viteria. 7.3.1 .1 Ciclo tecnologico (Acciai da bonifica) Per realizzare un componente viene scelto innanzitutto un acciaio che abbia tutte le caratteristiche meccaniche e fisiche adeguate. Solitamente si parte da un semilavorato, ovvero un pezzo di acciaio con una forma definita: la tipologia più nota è chiamata “ barra ”. Il prodotto venduto dall’acciaieria è un pezzo grezzo di laminazione (Ferrite + Perlite) e quindi non tr attato. Per gli acciai da bonifica il ciclo è il seguente . Rigenerazione (Normalizzazione + Ricottura di lavorabilità) Alla fine di questo trattamento si ha una struttura più omogenea e lavorabile . Lavorazione alle macchine utensili di sgrossatura Tramite questa operazione viene data una forma approssimativa al pezzo. Bonifica (Tempra + Rinvenimento, con T R=600°C) Il risultato di questo trattamento è un pezzo leggermente deformato ed anche ossidato , per via delle alte temperature, super ficialmente . Lavorazione alle macchine utensili di finitura Questa operazione permette di definire dimensioni e superficie del pezzo. 7.3.2 Acciai autotempranti Questi acciai hanno la caratteristica di avere in lega C, Cr, Ni in un tenore compreso tra 5 e 7% e l’unico acciaio normato è il 36NiCrMo16 . La sua caratteristica è quella di formare una struttura martensitica con semplice raffreddamento in aria . Inoltre questo raffreddamento genera bassissime tensioni residue . Quindi l’elevata temp rabilità e le basse tensioni residue evitano fratture da trattamento termico. La temperatura di rinvenimento , rispetto agli acciai da bonifica, è molto minore . In questo gruppo di acciai si vogli ono limitare le tensioni residue del trattamento termico ma allo stesso tempo mantenere alta la resistenza meccanica e la tenacità . Una caratteristica degli autotempranti è che , a differenza di un comune acciaio da bonifica, mantengono le caratteristiche mecc aniche in tutta la sezione . Questi acciai non vengono utilizzati per tutti i componenti in quanto si ha un alto contenuto di Nichel , ovvero un costo molto elevato . 7.3.2.1 Ciclo tecnologico (Acciai autotempranti) Ricottura completa Il trattamento iniziale viene fatto per conferire al materiale la necessaria lavorabilità alle macchine utensili, generando una struttura perlitico -ferritica lavorabile . Solitamente il trattamento iniziale è una rigenerazione ma in questo caso si avrebbe la f ormazione di una struttura martensitica , in quanto le curve CCT sono spostate così a destra da rendere temprabili questi acciai al solo raffreddamento in aria. Per maggiore lavorabilità serve un raffreddamento più lento. Tuttavia è necessario inserire un limite massimo, pari al 7%, per gli elementi presenti in lega : questo accorgimento serve per evitare di avere una struttura martensitica anche tramite una ricottura completa. Lavorazione alle macchine utensili di sgrossatura Tramite questa operazione viene data una forma approssimativa al pezzo. Bonifica (Tempra in aria + Rinvenimento, con T R=200°C) A differenza del ciclo tecnologico degli acciai da bonifica è possibile effettuare il rinvenimento anche a 200°C perché, avendo temprato in ari a, ci sono basse tensioni residue ed è sufficiente una distensione . Inoltre grazie alla presenza di Nichel , che ha un effetto “tenacizzante” , si ha anche un’alta resilienza . Lavorazione alle macchine utensili di finitura Questa operazione permette di definire dimensioni e superficie del pezzo. 7.3.3 Acciai per molle Questi acciai vengono prodotti solo per essere utilizzati in un solo componente : le molle . Per tali acciai esistono due normative: EN10132 e la EN10089. Questi acciai hanno un elevato carico di snervamento ed un rapporto σ SN / σMAX compreso tra 0,85 e 0,90 . Naturalmente, la regola utilizzata solitamente ( ࡰ౒్ිϸɧϿд ࡰౌీ౗ ) non è valida per q uesti acciai. Per ottenere questi risultati si utilizzano leghe con carbonio tra lo 0,5 e l’1% e /o acciai debolmente legati con un tenore di silicio intorno all’1,5 -2,0 %. Anche in questo caso esistono due sottofamiglie: gli acciai al solo carbonio , detti armonici, e quelli debolmente legati . Gli acciai al solo carbonio hanno un fattore negativo, ovvero una bassa resilienza (vista la percentuale di carbonio presente). Il cic lo degli acciai per molle è: rigenerazione (spesso non viene effettuata visto che le operazioni meccaniche sono limitate ), lavorazione alle macchine utensili di sgrossatura (non sempre) , bonifica (ovvero tempra + rinvenimento a Tr = 450°C per avere il massimo rapporto σ SN / σMAX ), lavorazione alle macchine utensili di finitura (non sempre) e pallinatura . La pallinatura consiste nell’incrudire la superficie attraverso deformazioni plastiche dovute d al “bombardamento” con palline di metallo. Questo trattamento diminuisce la rugosità, aumenta no la vita a fatica e d anche le tensioni residue di compressione : quest’ultima caratteristica è positiva ed aumenta il campo di lavoro della molla. In questi acciai non è necessario riportare la presenza di Molibdeno in quanto la temperatura di rinvenimento è troppo bassa perché vi sia fragilità di rinvenimento (malattia di Krupp) . Seguono alcuni esempi di acciai per molle normati . Al solo carbonio C60, C65, …, C100 Debolmente legati 49Si7, 56Si7, 61Si7, 60SiCrV7, 50CrV4 (senza Silicio, acciai per molle moderni) 7.3.4 Acciai da cementazione Essi vengono utilizzati per componenti soggetti ad usura (sfregamento), come ingranaggi e ruote dent ate, ed anche in questo caso possono essere suddivisi in due sottofamiglie : al solo carbonio (C10, C15, C15 per piccoli pezzi temprati in acqua) o debolmente legati (18CrMo4, 18NiCr5 -4, 17NiCrMo6 -4 per pezzi più grandi e temprati ad olio). Il tenore di carbonio è inferiore allo 0,2% , questo perché la lega “subisce” la cementazione , ovvero un indurimento della superficie effettuato tramite immersione in ambiente ricco di carbonio (tramite combustione di metano o similare) . La cementazione viene fatt a al di sopra dei punti critici e mantenendo la temperatura per 2 -5 ore . Successivamente viene effettuato un trattamento di bonifica con T r = 150°C . Il raffreddamento rapido, o tempra, permette di intrappolare il carbonio all’interno del reticolo CFC . Il risultato finale sarà un pezzo con differente composizione chimica tra cuore e superficie . Lo spessore esterno può variare tra 1 e 2mm , il tenore di carbonio in superficie è pari a llo 0,8% e la durezza superficiale può raggiungere i 900 HV . Il meccanismo di indurimento è basato sulla formazione di Martensite dopo la tempra. Il ciclo de gli acciai da cementazione è: rigenerazione , lavorazione alle macchine utensili di sgrossatura , cementazione (per 2 -5 ore) + bonifica (Tr = 150°C) e lavorazione alle macchine utensili di finitura . La temperatura di rinvenimento è molto bassa ma questa scelta dipende dal fatto che a 600°C si avrebbe diffusione di carbonio ed una eccessiva durezza superficiale : anche in questo caso non occorre riportare la presenza di Molibdeno. Lo scopo del rinvenimento è quello di ridurre le tensioni interne prodotte dalla tempra. 7.3.5 Acciai da nitrurazione Essi vengono utilizzati per realizzare componenti soggetti ad usura . In questo caso sono tutti debolmente legati ed il principale acciaio da nitrurazione è il 41CrAlMo7 -10. Questa tipologia di acciai subisc e un trattamento termo -chimico di indurimento superficiale : esso consiste nell’ indurire la superficie tramite l’arricchimento di azoto che si diffonde nel reticolo e che , se sono presenti elementi come (Cr, Al e V) , possono formare dei precipitati che induriscono la zona di diffusione . La nitrurazione viene svolta alla fine del ciclo tecnologico e avviene al disotto dei punti critici (520 -540°C) in un’atmosfera ricca di azoto , ma essendo gli spazi interstiziali stretti, il tempo di nitrurazione varia da 12 a 96 ore . Lo spessore indurito può variare da 0,1 a 0,2 mm e ha una durezza superficiale di 1200 HV . Il trattamento è eseguito a basse temperature per evitare tensioni termiche, non si ha ossidazione (ambiente privo di ossigeno) e la zona indurita è limitata. Infine il materiale apparirà di colore bianco e quindi anche di bell’aspetto. Il ciclo degli acciai da nitrurazione è: rigenerazione, lavorazi one alle macchine utensili di sgrossatura, bonifica (con T r = 600°C), lavorazione alle macchine utensili di finitura e nitrurazione . A livello pratico, gli acciai con l’alluminio sono quasi sempre acciai da nitrurazione in quanto è un elemento con una elev ata tendenza a formare nitruri . L’acciaio più utilizzato per la nitrurazione è un acciaio da bonifica, ovvero il 42CrMo4 . Questo è possibile in quanto gli acciai da bonifica e quelli da nitrurazione hanno lo stesso ciclo tecnologico . È molto importante che la nitrurazione avvenga al di sotto delle temperature critiche, altrimenti si ha la formazione di una fase Fe -N troppo fragile chiamata Braunite . Nitrurazione vs. Cementazione Cementazione vs. Nitrurazione • Durezza superficiale più elevata (1200 HV invece di 700 HV) e resistenza termica più elevata (700°C contro 200°C); • La nitrurazione viene svolta alla fine e non genera deformazioni da lavorare mentre la cementazione sì; • Sono evitati pericoli di surriscaldam ento. • Strato indurito molto più spesso; • Ciclo di lavorazione meno lungo e meno costoso; • Non bisogna usare per forza acciai legati (più costosi); • Non vi è un peggioramento notevole della tenacità lungo il mantenimento a 500°C come nel caso della nitrurazion e. 7.3 .bis Acciai per usi speciali 7.3.6 Acciai per cuscinetti I cuscinetti a rotolamento sono ottenuti dall’accoppiamento appropriato di elementi anulari con sfere o rulli . Data la natura molto critica di questo componente la composizione chimica deve essere mantenuta entro limiti molto stretti . I 14 tipi di acciai raccomandati per la costruzione dei cuscinetti sono contenuti nella norma UNI EN -ISO 683 . Alcuni esempi sono 1 00Cr6, 18NiCrMo 14-6 ed X108CrMo17. Il ciclo degli acciai per cuscinetti è: ricottura di globulizzazione (addolcimento materiali per maggiore lavorabilità e predisporre al trattamento di tempra), stampaggio e bonifica (tempra + T r = 150/220°C, le basse temperature servono a limitare la perdita di durezza). Questi tipi di acciai hanno elevata ed uniforme dure zza , buona resistenza all’usura , elevata penetrazione di tempra e limitata deformazione. 7.3.7 Acciai per funi Essi sono stati sviluppati con composizione eutettoidica . Le caratteristiche del prodotto sono ottenute con l’opportuno mix di composizione chimi ca, deformazione plastica e trattamento termico . Per questi tipi di acciai il trattamento termico effettuato è il patentamento , ovvero una tempra bainitica in cui l’acciaio viene temprato in Pb fuso a circa 500°C. Le caratteristiche della struttura sono : • Inclusioni non metalliche contenute ; • Assenza di reticoli di cementite intergranulare ; • Assenza di ferrite proeutettoide per non diminuire la resistenza meccanica ; • Assenza di strutture bainitiche per non diminuire la duttilità ; • Perlite assai fine per un’elevata resistenza meccanica e per una buona deformabilità a freddo . È possibile raggiungere carichi di rottura di 1770 MPa ed oltre. 7.4 Gli acciai per utensili Essi vengono impiegati per creare utensili atti alla lavorazione di altre leghe metalliche . Questi acciai devono presentare delle caratteristiche come la stabilità alle alte temperature , la capacità di raggiungere uno specifico livello di durezza dopo trattamento termico, elevata resistenza all’usura , meccan ica e tenacità . I principali elementi in lega sono : carbonio , cromo , molibdeno , tungsteno , vanadio e cobalto . Se questi elementi vengono combinati correttamente essi forniscono le proprietà sopraelencate. La classificazione EN ISO 4957 divide questi acciai in: • Acciai per lavorazioni a freddo (legati o non legati e temperatura superficiale minore di 200°C); • Acciai per lavorazioni a caldo (legati e temperatura superficiale maggiore di 200°); • Acciai rapidi (elevata durezza alle alte temperature e poco suscettibili al rinvenimento sopra i 600°C). La quantità di ferro deve essere sufficiente per poter operare i trattamenti termici ed il carbonio deve essere sufficiente ad ottenere la durezza necessaria . Essa è data sia dalla struttura martensitica che dalla formazione di carburi : per ottenere la massima durezza dalla martensite basterebbero un contenuto di carbonio pari allo 0,6% ma questi acciai ne contengono in quantità superiori, anche fino al 2% per la for mazione di carburi. Il cromo è sempre presente (tranne nei non legati) per la capacità di aumentare temprabilità e di formare carburi . Nei legati per lavorazioni a freddo può raggiungere il 17% mentre negli altri ha una concentrazione (in media) del 4% . Il vanadio ha il duplice effetto di formare facilmente carburi e di inibire la crescita del grano . È presente in tutti gli acciai per lavorazioni a caldo e in alcuni acciai per lavorazioni a freddo . Il tungsteno forma i carburi e diminuisce l’usura alle alte temperature . Esso è sempre presente negli acciai rapidi (fino al 6%). Il molibdeno ha lo stesso effetto del tungsteno ma la sua presenza comporta meno carbonio in lega , ovvero miglior tenacità e resistenza a cricche. Sempre presente in acciai per lavorazi oni a caldo. Il cobalto viene aggiunto in alcuni acciai rapidi in tenori compresi tra il 4 ed il 10% . Per questa tipologia di acciai vengono effettuati i seguenti trattamenti termici: • Il primo trattamento è una ricottura ed ha lo scopo di ridurre la durezza dell’acciaio per renderlo lavorabile; • Successivamente si esegue una tempra ed una ricottura ; • Gli elementi in lega variano la posizione del punto critico A 1. In particolare gli elementi in tenori maggiori tendono ad avere un effetto ferritizzante, e quindi ad innalzare il punto critico ; • Il carbonio in lega deve essere sufficiente per avere il punto critico di trasformazione e la temperatura di riscaldo deve essere molto maggiore rispetto a quella del punto critico . Al crescere degli elementi in lega cresce anche la temperatura di austenizzazione (anche superiore ai 1200°C) ed aumentando quest’ultima è possibile ottenere maggiori durezze ; • Tutti gli elementi di lega spostano le curve CCT a destra, fornendo quindi una buona temprabilità ; • Durante il raffreddamento si ha anche la precipitazione in forma finissima di carburi ; • Dopo la tempra viene effettuato il rinvenimento . In questo caso lo scopo del trattamento non è quello di ridurre la durezza della martensite ma di favorire anche la precipitazione di carburi , i quali aumentano la durezza della matrice; • Per quanto riguarda il trattamento di rinvenimento le famiglie degli acciai si comportano diversamente : gli acciai per lavorazioni a freddo subiscono solo l’effetto della decomposizione della martensi te e quindi devono essere rinvenuti a basse temperature (max 200°C) , invece gli acciai per lavorazioni a caldo e quelli rapidi subiscono il fenomeno di precipitazione di carburi (600°C) . Rapidi riscaldamenti e raffreddamenti possono causare la criccatura d ei pezzi , soprattutto se vengono utilizzati mezzi tempranti drastici. Di conseguenza le deformabilità dei materiali che possono temprarsi in acqua sono notevolmente superiori a quelle degli acciai raffreddati in o lio oppure in aria. 7.5 Gli acciai inossida bili Tutti i metalli sono termodinamicamente meno stabili dei loro rispettivi ossidi . Essendo l’ossido più stabile del metallo, a contatto con l’ossigeno dell’atmosfera, tende a reagire e ad ossidarsi di nuovo : questo fenomeno è noto come corrosione . Gli acciai inossidabili sono leghe Fe-Cr e Fe-Cr-Ni caratterizzate da un contenuto minimo di Cr pari al 10,5% , il quale protegge dalla corrosione formando uno strato protettivo sottile di ossido di cromo (Cr 2O3). Il nome di questo processo è detto “ passivazione ”. Questo strato di ossido passivo è molto efficiente e presenta le seguenti caratteristiche: • Si forma spontaneamente ed istantaneamente per esposizione all’atmosfera; • Si auto -genera quando scalfito; • È ben ade rente alla superficie; • È di bell’aspetto e facile da pulire. Il contenuto medio di Cr è compreso tra il 12 ed il 30% : rappresenta la quantità minima per poter garantire le caratteristiche sovraelencate. Altri elementi importanti in lega sono il nichel, il molibdeno ed il carbonio (inferiore al 1,2%). 7.5.1 Classificazione degli acciai inossidabili Gli elementi principali degli acciai inossidabili sono il nichel , che è un elemento austenitizzante (allarga il campo del ferro γ), ed il cromo , che è un elemento ferritizzante (stringe il campo del ferro γ). Quindi, variando i principali elementi di lega, è possibile ottenere microstrutture diverse a temperatura ambiente . Gli acciai inossidabili posson o essere divisi in cinque macro famiglie: • Ferritici; • Austenitici; • Martensitici; • Ferritico -austenitici (Duplex o bifasici); • Indurenti per precipitazione. Per capire quale struttura si otterrà, in base alla composizione chimica della lega, viene utilizzato il diagramma di Schaeffler. Sulle ascisse si riporta la quantità del cromo equivalente e sulle ordinate quella del nichel equivalente. L’area del diagramma è divisa in diverse zone che rappresen tano le tipologie di acciaio inossidabile ottenibil i. Conoscendo la composizione chimica si può determinare la resistenza alla corrosione. ंऄࣷऀ (ऄऑटकटठऑचदऍ ऍघघऍ एछञञछटकछचऑ )ිЮޫߔ +ϻɧϻ(Ю޵ߑ )+ߍ(Ю޶) ޻߇ ޸޺ޭ޶ >ϼϸɩߑߖߖߋߏ߃ ߔ߇ߕߋߕߖ߇ߐߜ߃ ߋߐ ߃ߏ߄ ɪߏ߃ߔߋߐߑ ɪ ߍ(߃ߗߕߖ߇ߐߋߖߋ߅ߋ )ිϻϸɧߍ(ެߗߒߎ߇ߚ )ිϹϾ 7.5.1.1 Acciai inossidabili ferritici Esse sono essenzialmente leghe formate con quantità di Cr compreso tra l’11 ed il 30% . Questi acciai hanno una cella cubica a corpo centrato e non presentano i punti critici caratteristici degli acciai. Le proprietà meccaniche degli acciai inossidabili ferritici sono contenute e la mancanza di punti critici non permette i trattamenti termici . Il carico di snervamento varia da 270 a circa 380 MPa , mentre il carico di ro ttura è pari a circa 450 -550 MPa . Questi acciai si lavorano facilmente sia a caldo che a freddo e possono essere lavorati alle macchine utensili. Inoltre presentano una buona saldabilit à. Come detto prima essi non possono subire trattamenti termici che ne aumentano le caratteristiche meccaniche . Alcuni trattamenti sono necessari per ridurre le tensioni e stabilizzare la microstruttura dopo deformazioni o saldature. Le proprietà tensili possono essere recuperate tramite una ricottura di cristallizzazione seguita da un rapido raffreddamento per evitare la precipitazione di carburi di cromo che riducono le proprietà meccaniche e la resistenza a corrosione. Questo trattamento, inoltre, è utile per ridurre o eliminare le tensioni interne. La solubilizzazione è un trattamento termico che consente la dissoluzione e l’assorbimento delle seconde fasi e dei carburi nella matrice . Dat o l’elevato indice di diffusività degli atomi nella cella CCC, gli acciai inossidabili ferritici risentono dell’ingro ssamento del grano. La resistenza alla corrosione di questi acciai passa da moderata (per medi contenuti di Cr) a molto buona come nel caso del superferritico (il più ricco di Cr e presenta aggiunte di Mo) . L’acciaio AISI 430 è il più usato tra i ferritici . I superferritici sono stati pensati per sostituire i più costosi austenitici . L’aggiunta di Mo aumenta la resistenza alla corrosione, Nb e Ti aumentano la resistenza alla corrosione intergranulare, mentre S e Se aumentano la lavora bilità. Gli acciai inossidabili ferritici risentiranno di tre tipi di infragilimento: • Infragilimento d a fase σ : stazionamenti a 550 -750°C comportano la formazione della fase intermetallica σ che infragilisce il materiale e distribuisce la resistenza a corrosione; • Infragilimento a 475°C : causato dalla precipitazione della fase coerente α’ a bordo grano. Una ricottura ne permette il riassorbimento; • Infragilimento ad elevate temperature (circa 980°C) : gli acciai ferritici risentono della problematica della sensibilizzazione, ovvero della precipitazione di carburi e nitruri di cromo a bordo grano. La precipitaz ione di carburi comporta un peggioramento della resistenza alla corrosione. Per limitare questa problematica è possibile diminuire il contenuto degli interstiziali (C ed N) o aggiunge formatori di carburi o nitruri (V. Nb e Ti) che preservano il contenuto di cromo. 7.5.1.2 Acciai inossidabili austenitici Essi sono caratterizzati da una struttura CFC che li rende sia amagnetici, sia privi della transizione duttile -fragile . La struttura austenitica può essere ottenuta in due modi diversi: • Aggiungendo nichel i n lega; • Aggiungendo manganese in lega. Anche questi acciai non presentano punti critici . Le proprietà meccaniche sono contenute e non possono essere trattati termicamente per ottenere un rafforzamento . Essi presentano un modesto sforzo di rottura e valori di snervamento molto bassi . Le caratteristiche meccaniche possono essere migliorate sensibilmente in seguito a deformazioni plastiche a freddo e al conseguente incrudimento . La deformazione plastica, però, oltre che generare la martensite può causar e anche la formazione di geminati detti “twin”. Non sono possibili trattamenti termici che incrementino le proprietà meccaniche, ma solo trattamenti che migliorino la microstruttura. La prima fase per ottenere un acciaio inossidabile con la struttura desid erata è un trattamento di solubilizzazione allo stato solido con cui si ottiene una condizione di omogeneità di composizione chimica. L’acciaio viene portato oltre i 1000°C, viene mantenuto per consentire una completa omogeneizzazione della composizione in tutte le parti del materiale e poi viene raffreddato rapidamente. Dopo la solubilizzazione si può trattare con distensione : l’acciaio viene portato a 350/400°C e raffreddato ad aria per eliminare tensioni meccaniche. La resistenza alla corrosione è notevo le: per incrementarla è sufficiente aggiungere piccole quantità di molibdeno in lega. Un incremento della resistenza alla corrosione intergranulare viene ottenut o con aggiunte di Ti oppure Nb o Ta. Gli acciai inossidabili austenitici soffrono la precipitaz ione di seconde fasi che riducono le proprietà tensili e la resistenza alla corrosione . • Ferrite δ : fase ricca di elementi Cr e Mo, e povera di nichel. Essa risulta scarsamente resistente alla corrosione per vaiolatura se esposta a temperature elevate: questa esposizione potrebbe trasformare la ferrite δ in una fase dura e fragile; • Fase σ : fase intermetallica Fe -Cr che rende la matrice metallica fragile e sensibile. La sensibilizzazione consiste in un impoverimento localizzato di Cr causato dall a formazione e precipitazione in loco di carburi di Cr, i particolare del tipo M 23C6. Si il contenuto di Cr scende sotto un valore critico (12%), l’acciaio diviene vulnerabile alla corrosione intergranulare qual ora venga esposto ad ambienti aggressivi. Que sto fenomeno è preoccupante perché questi acciai vengono impiegati soprattutto in costruzioni saldate. La cinetica di precipitazione dei carburi dipende da vari fattori, quali: • Il contenuto di carbonio presente; • Il contenuto degli altri elementi aggiunti i n lega; • La temperatura alla quale l’acciaio viene riscaldato; • Il tempo di permanenza a tale temperatura; • La dimensione dei grani; • Le altre condizioni microstrutturali. Per limitare il fenomeno si prendono alcune precauzioni: • Impiego di acciai con poco carb onio (C < 0,03%); • Stabilizzazione mediante aggiunte controllate di elementi di lega e trattamento termico; • Corretta esecuzione delle operazioni a caldo (solubilizzazione, saldature e riscaldamenti in esercizio). In sintesi, si cerca di limitare il contenut o di carbonio aggiungendo elementi in lega che si legano meglio al carbonio rispetto al Cr. In questo modo i nuovi elementi si legheranno al carbonio ed il Cr resterà isolato (stabilizzazione) . 7.5.1.3 Acciai inossidabili martensitici Gli acciai inossidabili martensitici sono acciai al solo cromo (11 -19%) ed il tenore del carbonio può raggiungere un massimo di 1,20% . I martensitici sono gli unici acciai inossidabili temprabili in quanto presentano i punti critici e possono assumere struttur a martensitica. La resistenza a rottura , per contenuti di circa l’1% dopo tempra e rinvenimento, può avvicinarsi ai 2000 MPa , invece per contenuti di carbonio pari allo 0,15% la resistenza è vicina ai 1000 MPa . La deformabilità a freddo è piuttosto limitat a. Gli acciai martensitici sono tipicamente impiegati in manufatti che necessitano, oltre ad una discreta resistenza alla corrosione , di buona resistenza meccanica , all’ abrasione , alla fatica e di un’ elevata durezza . Grazie alla presenza dei punti critici è possibile effettuare diversi trattamenti: • Tempra (curve di Bain molto a destra, quindi conviene effettuare la tempra in olio oppure in aria anziché acqua); • Rinvenimento (migliorare la resistenza alla corrosione, sotto i 430°C, oppure migliorare la tenaci tà a 600 -760°C); • Trattamenti di ricottura (per ottenere materiali meno duri); • Trattamenti di distensioni (effettuati a 200°C ed hanno lo scopo di attenuare o eliminare le tensioni meccaniche nel materiale). In sintesi, essi resistono di più alle sollecitaz ioni (grazie alla martensite) ma sono meno resistenti alla corrosione . I più usati sono gli AISI 410 e gli AISI 420. La migliore resistenza alla corrosione si ha allo stato temprato e disteso a 150 -200°C perché il cromo è solubilizzato. 7.5.1.4 Acciai inossidabili bifasici (Duplex) Essi sono acciai dalla struttura bifasica austeno -ferritica: i Duplex. Questi acciai devono il loro nome alla presenza di una struttura mista di austenite e ferrite grazie ad una corretta combinazione di elementi in le ga. Grazie a questa combinazione è possibile abbinare elevate caratteristiche meccaniche ed un’elevata resistenza alla corrosione, sia sotto tensione che per vaiolatura ed in fessura . Rispetto agli austenitici essi presentano un carico di snervamento che è circa il doppio di quello di rottura . Inoltre hanno un’elevata tenacità e la temperatura di transizione è di -80°C. L’elevata presenza di elementi in lega la rende soggetta ad infragilimento , limitando l’utilizzo sotto i 300°C. Il miglior compromesso tra resistenza meccanica e resistenza alla corrosione è ottenuto andando a formare una struttura bifasica con un rapporto di austenite e ferrite di circa 1:1 . Il tipico trattamento termico degli acciai bifasici prevede la solubilizzazione a circa 1050 - 1150°C c on lo scopo di evitare le temperature critiche proprie delle fasi infragilenti ed ottenere una struttura bifasica equilibrata . Poi viene eseguita la tempra fino a temperatura ambiente. I duplex risentono della precipitazione di carburi e carbo -nitruri, cos ì come di fasi infragilenti . Questi acciai presentano due intervalli critici di temperatura: • 800°C per la precipitazione di carburi, carbo -nitruri e fase σ; • 475°C per l’arricchimento di Cr nella ferrite (ciò aumenta la fragilità). La presenza di queste fasi compromette sia la resistenza alla corrosione, sia la tenacità del materiale. Per ristabilire la bontà del materiale è sufficiente un trattamento di solubilizza zione che permette di assorbire le fasi . 7.5.1.5 Indurenti per precipitazione (PH, precipitation hardening alloy) Questi acciai dopo la tempra di solubilizzazione a partire da 1040°C possiedono una struttura martensitica , relativamente tenace, dato il bas so contenuto di carbonio. L’indurimento si ottiene attraverso l’invecchiamento, per formazione di composti intermetallici . Il rinforzo per precipitazione costituisce il metodo più efficace per ostacolare il movimento delle dislocazioni. Per ottenere il rin forzo desiderato è necessario che: • L’elemento aggiunto sia solubile a caldo nella lega; • Il suo limite di solubilità diminuisca al diminuire della temperatura. A seconda della composizione e del tipo di trattamento termico, si possono avere acciai PH con st ruttura martensitica, austenitica, oppure semi -austenitica . La composizione degli acciai inossidabili PH martensitici deve garantire la presenza dei punti critici di trasformazione, A 1 e A 3, a temperature superiori a quella ambiente , in modo da poter austenitizzare e solubilizzare la lega, da cui ottenere poi, in successione, la struttura martensitica e la precipitazione de lla fase di rinforzo, costituita da composti intermetallici. Anche negli austenitici e semi -austenitici la fase rinforzante è costi tuita da composti intermetallici degli elementi di lega (NiAl, Ni 3Ti, ecc). Nel caso dei tipi austenitici la struttura è stabilizzata dalla presenza di adeguate quantità di Ni. Il contributo di P alla resistenza meccanica è attribuito alle distorsioni reti colari indotte dagli atomi di questo elemento di lega. Nel caso degli acciai inossidabili PH del tipo semi -austenitico , la struttura viene ottenuta con una prima fase di solubilizzazione a temperatura adeguata , seguita da una seconda fase di “condizionamen to” con lo scopo di produrre una struttura martensitica e da una terza fase di indurimento volta a rinvenire la martensite e di ottenere la struttura finale rinforzata per partecipazione di composti intermetallici degli elementi di lega . I caric hi di rottu ra e di snervamento sono migliori di quelli degli acciai inossidabili comuni e tendono ad aumentare al diminuire della temperatura. Le caratteristiche meccaniche sono elevate ma è possibile un decadimento dopo perma nenza prolungata tra i 315°C e 425°C a ca usa dell’iper -invecchiamento. Questi acciai, dopo la tempra di solubilizzazione possiedono una struttura totalmente austenitica, che evolve in martensite, durante l’invecchiamento. Le caratteristiche meccaniche dipendono, ovviamente, dal ciclo termico.