141

Acciai: influenza degli elementi di lega

• Influenza del Nichel (Ni)

Ni = 25-28% perdita proprietà magneticheNi = 36-38% massimi e minimi di diverse proprietàNi = 78% massimo permeabilità magnetica

Durante l’elaborazione della colata il Ni non prende parte ad alcuna reazione, ma viene aggiunto nella prima parte (bagno effervescente) perché la ferro lega di Ni contiene H. Il Ni non forma carburiIl Ni favorisce la grafitizzazione del C

Diminuiscono T ricottura e tempraDiminuiscono velocità criticheAumenta la penetrazione di tempraAumenta la tenacità, a parità di RmNon peggiora la deformabilità a freddo ed a caldo

142

• Influenza del Manganese (Mn)E’ completamente solubile in tutte le proporzioni.Ha un comportamento simile al Ni.Tutti gli acciai contengono un po’ di Mn (viene utilizzato come disossidante e desolforante , 0.3-0.4%).Le strutture martensitiche sono troppo fragili

Caratteristiche positive

Caratteristiche negative

Diminuisce T ricottura e tempraAumenta penetrazione di tempraDiminuisce v raffreddamento critica e le deformazioni di tempraAumenta la tenacità a parità di RmAumenta Rm (100MPa/1%Mn)Migliora deformabilità a caldo

Diminuisce conducibilità termicaDiminuisce deformabilità a freddoAumenta la sensibilità al surriscaldoDiminuisce la lavorabilità per acciai austeniticiPeggioramento proprietà magnetiche ed elettricheInconvenienti nella cementazione

143

• Influenza del Cobalto (Co)Non si ossida e può essere aggiunto alla colata in qualsiasi momento Aumenta la velocità critica (diminuisce la penetrazione di tempra)Favorisce la grafitizzazioneRende più stabile la martensite

• Influenza del Rame (Cu)Può essere aggiunto in qualunque momentoMigliora le caratteristiche a caldoFino allo 0.25÷0.30% migliora la resistenza alla corrosione atmosferica

• Influenza dell’Azoto (N)Aumenta leggermente Rm, A%, Z%Stabilizza austenite

144

• Influenza dell’Alluminio (Al)Ha un energico effetto disossidanteForma con l’azoto dei nitruri durissimiConferisce resistenza all’ossidazione a caldoPeggiora la saldabilità

• Influenza del Cromo (Cr)Forma carburi stabiliDiminuisce la conducibilità termicaFinchè la struttura è perlitica, Rm aumenta senza diminuzione di A, Z, K Conferisce stabilità al rinvenimento ala struttura temprataAumenta la resistenza alla corrosione ed alla ossidazione

• Influenza del Titanio (Ti), Tantalio (Ta) e Niobio (Nb)

Formano composti intermetallici tipo Fe3Ti, con conseguente indurimento per precipitazioneTi è un forte disossidanteFormano carburi

145

• Influenza del Molibdeno (Mo)Appartiene allo stesso gruppo del Cr e forma carburi duri e stabiliPuò essere aggiunto in qualsiasi momentoCon il 3% si chiude il campo γ, al 10% si chiude il campo α, oltre si forma Fe3Mo2Aumenta la temprabilitàHa un ottimo effetto indurenteAumenta la stabilità della martensite a T elevataAumenta il limite di fatica e di scorrimento a caldoDiminuisce effetto di surriscaldamentoElimina la fragilità al rinvenimento

• Influenza del Vanadio (V)

Simile al Cr, forma carburiPotente disossidanteLegandosi con il C, diminuisce la temprabilitàAffina il granoAumenta la resistenza a caldo

146

• Influenza del Tungsteno (W)Meno ossidabile del Fe, può essere aggiunto in qualsiasi momentoAumenta temprabilitàNotevole effetto indurentePuò sostituire (con una % doppia) il MoComporta una limitata conducibilità termica

• Influenza del Silicio (Si)E’ sempre presente e si parla di acciai al Si per tenori superiori al 1%Aumenta R ed HV mentre K, A, Z diminuisconoDiminuisce la v critica e quindi aumenta la temprabilità Conferisce resistenza agli acidi ed all’ossidazione a caldoRiduce la velocità di diffusione del C (quindi effetto negativo sulla cementazione)Influenza dannosa sulla deformabilità a caldoSensibilità al surriscaldo (ingrossamento del grano)

147

• Influenza dello Zolfo (S)A seguito della formazione di un eutettico bassofondente (988°C) a bordo grano, si ha la fragilità a caldo dell’acciaioNi, Co, Mo formano solfuri con punti di fusione ancora più bassiCr, Zr, Mn formano solfuri a distribuzione puntuale non dannosa con elevate T di fusione. Questi solfuri migliorano la lavorabilità a caldo

Peggiora la resilienza, specialmente con elevato CFino allo 0.2% non si hanno peggioramenti evidenti. Si richiede comunque un tenore inferiore allo 0.005 ed anche allo 0.003 per l’elevata tendenza alla segregazione nella parte centrale del lingotto.Data la miscibilità praticamente nulla, lo zolfo da luogo ad inclusioni non metalliche che diminuiscono il limite di fatica

148

• Influenza del Fosforo (P)Simile allo S, per P%>0.2% la resilienza diviene nullaIl tenore limite è più basso dello 0.2%, in quanto il P si scioglie anche nell’acciaio anche allo stato solido.Per acciai particolarmente tenaci si arriva a tenori inferiori allo 0.02%

Peggiora le proprietà meccanichePeggiora le proprietà fisicheAumenta la sensibilità al surriscaldoPeggiora la lavorabilità a caldoDato che la solubilità dell’O nel Fe è praticamente nulla, tutto l’ossigeno contenuto è quello nelle inclusioni non metalliche

Fa diminuire A, Z, KPuò far formare i “fiocchi” durante il raffreddamento del pezzo

• Influenza dell’ Ossigeno (O)

• Influenza dell’Idrogeno (H)

149

Designazione alfanumerica (UNI EN 10027 parte 1°)

• Gruppo 1: acciai designati in base al loro impiego ed alle loro caratteristiche meccaniche o fisiche;• Gruppo 2: acciai designati in base alla loro composizione chimica (suddivisi in quattro sottogruppi).

Gruppo 1- un simbolo principale, che indica la caratteristica meccanica o fisica oppure l’impiego- un numero pari alla valore minimo della proprietà meccanica o fisica che deve essere specificata

150

Gruppo 1Si suddivide in 4 sottogruppi:- Sottogruppo 1 (%Mn<1)

Lettera CTenore C moltiplicato per 100

- Sottogruppo 2 (%Mn>1, tenore complessivo elementi di lega <5%)

Tenore C moltiplicato per 100Simboli chimici elementi caratterizzantiTenore elementi caratterizzanti (x fattore)

- Sottogruppo 3 (acciai legati, eccetto acciai rapidi, in cui almeno un elemento è > 5%)

Lettera XTenore C moltiplicato 100Simboli chimici elementi di legaTenore elementi di lega

- Sottogruppo 4 (acciai rapidi)Lettere HSTenore dei seguenti elementi: W, Mo, V, Co

151

Designazione precedente(UNI EU 27)

•acciai da costruzione di uso generale;•acciai speciali da costruzione;•acciai da utensili;•acciai per usi particolari;•acciai inossidabili.

Si possono considerare 5 grandi categorie di acciai

152

Acciai da costruzione di uso generale

• Sono posti in opera senza trattamento termico, al massimo, dopo normalizzazione.• Si richiede unicamente di possedere un certo valore minimo di Rs

%Cmax %Pmax %Smax %NmaxFe360B 0.19 0.045 0.045 0.009Fe410D 0.18 0.040 0.040 -Fe510D 0.20 0.040 0.045 -

Hanno Rs<500 MPa, bassi valori di Rs/Rm ed A%<26

Per costruzioni saldate, bullonate e chiodate

Ciò può essere ottenuto mediante:• Affinamento del grano mediante precipitati fini• Incrudimento per deformazione plastica a freddo• Rafforzamento per soluzione solida (Mn, Si)• Rafforzamento per dispersione di precipitati (in presenza di Nb, Ti, V)•Presenza di bainite e/o martensite

153

Si introducono elementi di lega per aumentareRs con una buona resilienza ed accettabile resistenza alla corrosione atmosferica.

L’incremento del tenore di C è il modo più semplice per ottenere elevati valori di Rs

Esistono delle relazioni empiriche che permettono di correlare la resistenza meccanica R con la composizione chimica:

R = RFe + ∆RC + Σ∆REl

Influenzato dal trattamento termico

Indipendente dal trattamento termico

154

Ad esempio:

R = 300+ n 1000 %C + 100 (%Si -0.30) + 150 (%Mn-%C)+ 40 %Ni + 150 %Cr + 300 %Mo + 700 %V + 50 %Al

Con:n = 1 Trinv = 600°Cn = 2.3 Trinv = 450°Cn = 3.8 Trinv = 200°Cn = 4 Trinv = 150°C

155

Altre composizioni chimiche

%C %Mn %Si %Cr %Ni altri0.22 1.60 0.50 0.30 0.60 V,Mo Norm.0.20 1.00 0.35 0.35 0.65 V, Mo Bon.0.12 1.70 0.35 0.30 0.50 Nb,V HSLA0.12 0.50 0.70 1.25 0.65 Cu Corten0.19 1.25 0.30 0.65 - V,Cu Corten

%S < 0.02%P < 0.02

156

Acciai speciali da costruzione0.1<%C<0.6 aumenta Rm, Rs ma fa diminuire la tenacità0.2<%Mn<0.4 (<2 molle) aumenta un po’ la resistenza0.2<%Si<0.4 (<2 molle) aumenta Rm ed il rapportoRs/Rm%Cr<3, %Ni<5 aumentano la resistenza, migliorano la tenacità0.2<%Mo<0.5 elimina il fenomeno della fragilità al rinvenimento (importante negli acciai da nitrurazione), aumenta Rm%V<0.2 migliora notevolmente Rm, Rs ha un forte effetto di affinamento del grano%Al<1 negli accia da nitrurazioneB<0.1 aumenta la temprabilitàW utilizzato nel passato negli acciai da bonifica al posto del MoPb completamente insolubile, aumenta la lavorabilità

157

Si possono considerare in questo gruppo:• acciai da bonifica• acciai da nitrurazione• acciai da cementazione • acciai per molle• acciai autotempranti• acciai speciali per cuscinetti a rotolamento• acciai per funi• acciai per particolari applicazioni• acciai maraging

Variazione della resistenza meccanica, per gli acciai speciali da costruzione, al variare di Trinv

158

Acciai da bonificaSono adatti a sopportare sforzi, urti e vibrazioni.I valori massimi degli elementi di lega sono:0,2<%C<0,6%Mn< 1,65%Ni < 4,2%Cr < 2,2%Mo< 0,6%V<0,35

159

Alcuni acciai da bonifica:%C %Mn %Cr %Ni %Mo

C25 0.25 0.60 ------ ------ ------C60 0.60 0.75 ------ ------ ------41Cr4 0.40 0.65 1.00 ------ ------36CrMn5 0.35 1.00 1.15 ------ ------35CrMo4 0.35 0.75 1.00 ------ 0.2039NiCrMo3 0.39 0.65 0.85 0.85 0.2030NiCrMo12 0.31MPa 0.65 0.80 2.90

0.45

Proprietà meccaniche (valori minimi di Rm ed Rs[MPa] e di A% e K [J])

Rm Rs A% KC25 625 360 19 37.5C60 905 590 11 -----41Cr4 1030 735 11 2536CrMn5 980 685 12 2535CrMo4 1030 735 11 3039NiCrMo3 1080 785 11 3030NiCrMo12 1080 785 14 40

160

Acciai da nitrurazioneDopo bonifica, sono sottoposti al trattamento di nitrurazione (50 ore a 525°C).

Il Mo viene aggiunto per evitare il problema della fragilità al rinvenimento%C<0,5%Al<1%Cr<1,7%Mo<0,3

%C %Cr %Mo %Al31CrMo12 0.31 3.00 0.35 ------41CrAlMo7 0.41 1.65 0.32 1.00

%Mn≅0.6 %Si<0.40 %S<0.035 %P<0.030

Rm Rs A% KCU31CrMo12 1080 880 10 324.541CrAlMo7 930 730 12 22.5

161

Acciai da cementazioneSono sottoposti al trattamento termochimico, seguito da una tempra ed un rinvenimento a 150°C.Il tenore di C è basso sia per avere una buona cementazione, che per avere una elevata tenacità nel cuore

C Mn Cr Ni MoC10 0.1 0.50 - - -C15 0.15 0.50 - - -16MnCr5 0.16 1.15 - - -18CrMo4 0.18 0.75 1.0 - 0.2012NiCr3 0.12 0.45 0.55 0.65 -16CrNi4 0.16 0.85 0.95 0.95 -16NiCrMo2 0.16 0.80 0.50 0.55 0.2016NiCrMo12 0.16 0.55 0.95 2.95 0.35

%C < 0.2%Mn < 2%Ni < 5%Cr < 2

%Mo < 0.5

162

Acciai per molle

Si distinguono dagli altri acciai per l’elevato valore di Rs, ottenuto agendo sia sulla composizione chimica che sulla temperatura di rinvenimento (400-450°C invece di 600°C).Nel caso degli acciai non legati si utilizzano tenori di C piuttosto elevati, mentre nel caso degli acciai legati il tenore di C è inferiore, con valori più elevati di Si e Mn. (<2%)

%C %Mn %Si %Cr Rs[MPa]C55 0.55 0.75 0.30 ----- 610C100 1.00 0.50 0.30 ----- 69048Si7 0.47 0.65 1.75 ----- 111052SiCrNi5 0.52 0.80 1.35 0.85 1220quest’ultimo con Ni=0.6 e Mo=0.2

163

Acciai autotemprantiSono quegli acciai che prendono tempra dopo un semplice raffreddamento all’aria. Essi vengono rinvenuti a 200°C. Si ottengono in tale modo delle resistenze elevatissime (2000MPa) con una tenacità soddisfacente.%C+%Ni+%Cr = 5-70,3<%C<0,5 3<%Ni<6 1<%Cr<2

Dopo ricottura, tali acciai hanno struttura perlitica.Esempio: 34NiCrMo 1 6%C=0.34; %Mn=0.45; %Si=0.30; %Cr=1.80; %Ni=3.95; %Mo=0.35

Evoluzione proprietà meccaniche 34NiCrMo1 6 con la T di rinvenimento

164

Acciai speciali per cuscinetti da rotolamento

Si impiegano acciai ipereutettoidici che, dopo trattamento di ricottura, assumono struttura globulare che coincide con la massima lavorabilità e predispone l’acciaio alla tempra.%S<0.03; %P<0.03; %S+%P<0.05

%C %Mn %Cr %Ni %Si %Mo100Cr6 0.95-1.10 0.25-0.45 1.40-1.60 ---- 0.15-0.35 -----17NiCr 0.14-0.20 0.60-0.90 0.8-1.1 1.2-1.5 0.15-0.40 0.15-0.25X105CrMo17 0.95-1.20 <1.00 16-18 <0.5 1.00 0.35-0.75

165

Acciai per funiIl prodotto è caratterizzato da una elevata resistenza a trazione, resistenza alla torsione, resistenza piegamento, tenacità. Tali caratteristiche sono ottenute con una scelta ottimale della composizione chimica (%C), della deformazione plastica (grado di incrudimento), trattamento termico (patentamento)Normalmente 0.2<%C<0.9. Si parte da una struttura perlitica fine, tenore di inclusioni non metalliche molto ridotto, limitata segregazione ed assenza di decarburazione superficiale.Si deve trafilare con una riduzione di sezione fino al 90-95% senza trattamento termico intermedio.Si possono ottenere Rm = 1770MPa.

Esempio:S<0.03%; 0.15<%Si<0.35; 0.4<%Mn<0.85

166

Acciai speciali da costruzione per particolari applicazioni

Si ricordano gli acciai per lavorazioni ad elevata velocità, con percentuali notevoli di S oppure con un contenuto non trascurabile di Pb

%C %Mn %Si %S %P10S22 0.10 0.70 0.30 0.22 0.0535SMn10 0.35 1.50 0.25 0.10 0.0235SMnPb 0.35 1.50 0.25 0.10 0.02

167

Acciai speciali da costruzione con elevatissime caratteristiche

Acciai maraging

• Non è necessaria la presenza del C, anzi è dannosa (%C<0.03)• Σ El < 30%

17<%Ni<253<%Mo<57<%Co<9

in più si hanno Ti ed Al• La trasformazione martensitica avviene anche in condizioni isoterme• La martensite ha un reticolo CCC• La durezza HRC≅30 (invece di 45)• La tenacità è ottima• La struttura resta invariata fino a circa 500°C• Sono sottoposte al processo di invecchiamento della martensite (Martensite Ageing)• Si ottiene un rapporto Rs/Rm prossimo ad 1

168

La scelta del tenore del Ni è dettata dalle seguenti considerazioni:• Se Ni<17, la struttura resta parzialmente ferritica• Se Ni>23 si ha della austenite residua non trasformata

La presenza del Mo e del Ti aumenta notevolmente l’isteresi della trasformazione α/γ

Si possono ottenere valori diRs=1950MPa, con Rm=2000MPa

169

Trattamento termico di Maraging

Laminazione o fucinatura

Riscaldamento a 820±25°C

Raffreddamento in aria fino a T ambiente

Solubilizzazione composti

intermetallici

Struttura completamente

martensitica

Permanenza a 480±15°C per 3-6h (Maraging)

Precipitazione composti

intermetallici

%Ni %Co %Mo %Ti %Al 18Ni200 17-19 8.0-9.0 3.0-3.5 0.15-0.25 0.05-0.1518Ni300 18-19 8.5-9.5 4.7-5.2 0.50-0.80 0.05-0.15

170

Acciai per utensiliLe caratteristiche che, da sole o combinate, vengono richieste a questi acciai sono:• Elevata durezza a caldo ed a freddo• Elevata capacità di taglio• Insensibilità all’addolcimento per rinvenimento• Elevata penetrazione di tempra• Insensibilità alle spaccature per oscillazioni termiche• Buona resistenza all’usura

Per ottenere queste proprietà si ricorre a valori elevati del %C (>0,6) ed all’aggiunta di W, Mo, V, Cr, Co, Mn, Si

Da ricordare che:• La temperatura di austenitizzazione >> Ac3, in modo da solubilizzare i carburi precedentemente precipitati (rischio ingrossamento grano)• Durante la tempra i vari elementi di lega modificano fortemente le curve CCT• Durante il rinvenimento la durezza aumenta notevolmente grazie alla precipitazione dei carburi

171

Influenza dei vari elementi C (fra 0.25 e 2%): è sempre presente ed è l’elemento più importante per aumentare la durezza, sia per la formazione di martensite che di carburi.Mn (<0.5%): Ha azione disossidante e facilita la formazione dei carburiSi (<0.5%): Ha azione disossidante e aumenta la resistenza all’ossidazione.Cr (<13%): Aumenta la temprabilità e forma carburiV (<0.2): Forma carburiW, Mo (rispettivamente<20 e 10%): Formano carburi ed aumentano la resistenza all’usura ad elevata temperaturaCo (5-20%): Non forma carburi ma aumenta comunque la durezza ad elevata temperatura

Si possono distinguere:• Acciai per lavorazioni a freddo• Acciai per lavorazioni a caldo• Acciai rapidi

172

• Acciai per lavorazioni a freddoTali acciai sono caratterizzati da una elevata durezza a freddo (>55HRC) ma da una bassa durezza a caldo. Si possono distinguere gli acciai per utensili al C e gli acciai legati per lavorazione a freddo.

• Acciai per lavorazioni a caldo (T>300°C)Sono caratterizzati da una resistenza al rinvenimento, da una insensibilità all’ingrossamento del grano e da una buona conducibilità termica. La loro durezza a temperatura ambiente è compresa fra 40 e 55 HRC e resta ad un buon livello a caldo, grazie alla precipitazione di carburi in forma finemente dispersa.

173

• Acciai rapidiSono caratterizzati da una durezza molto elevata alla temperatura ambiente (>60HRC) e da una ottima durezza a caldo. Queste proprietà sono ottenute mediante l’aggiunta importante di elementi carburigeni (W, Mo, V) associati al Cr(miglioramento della temprabilità) ed, eventualmente, al Co.

Acciai semi rapidi (v. taglio ≅ 15 m/min)%C ≅ 0.8; %Cr ≅ 4; %W ≅ 8; Mo; V

Acciai rapidi (v. taglio ≅ 30 m/min)Non si usa Co;il W è spesso sostituito dal Mo

Acciai super rapidi (v. taglio ≅ 40 m/min)0.7<%C<1.4; Cr ≅ 4; %W >12; V; Co; Mo

174

Acciai inossidabiliSono delle leghe a base di ferro resistenti ad un gran numero di ambienti corrosivi, in un campo esteso di temperatura.L’elemento indispensabile perché un acciaio sia inossidabile è il Cr che deve essere presente almeno con un tenore minimo del 12%.Gli elementi di lega hanno una influenza sulla struttura di tipo:

ALFAGENO(come il Cr)

GAMMAGENO(come il Ni)

175

Si può utilizzare il diagramma di Schaeffler(valido per le leghe dopo solidificazione), che permette di determinare la microstruttura dominante, nota la composizione chimica e la velocità di raffreddamento.

Nieq = %Ni + 30 %C + 0.5 %Mn Creq = %Cr + %Mo + 1.5 %Si + 0.5 %Nb

Questi acciai vengono usualmente classificati in base alla microstruttura e, spesso, viene per essi utilizzata la designazione americana AISI.Serie 400: acciai inossidabili ferritici e martensiticiSerie 300: acciai inossidabili austenitici

176

Acciai inossidabili martensitici(posseggono A3 ed A1)

Sono caratterizzati da una notevole temprabilità e la loro velocità di raffreddamento critica corrisponde a quella relativa ad un raffreddamento in aria

I trattamenti tipici di questi acciai, che vengono effettuati nei diversi stadi di lavorazione, sono la ricottura, la tempra ed il rinvenimento.

Per quanto riguarda il rinvenimento:per Trinv<430°C si ha la migliore resistenza alla corrosioneper 600°C<Trinv<760°C si ha la migliore tenacitàper 430°C<Trinv<570°C si ha il rischio di fragilità al rinvenimento

Solitamente 150°C<T<430°C

177

Impiego a basse temperature

Impiego ad elevate temperatureGli acciai martensitici non vengono impiegati ad elevata T per non eliminare gli effetti della bonifica, a parte l’AISI 410 (fino a circa 650°C).

178

Acciai inossidabili ferritici(non hanno A3 ed A1,

e non sono induribili per tempra)

Il rischio maggiore è l’ingrossamento del grano.Per 400°C< T< 600°C si ha la fragilità al rinvenimentoper 550°C< T< 850°C si ha la precipitazione di fase σ

Possono essere sottoposti a ricottura (per migliorare resistenza meccanica ed alla corrosione) ed a ricristallizzazione

179

Impiego a basse temperature

Impiego ad elevate temperatureGli acciai ferritici hanno una elevata resistenza all’ossidazione (crescente al crescere della %Cr). L’AISI 446 può resistere fino a 1100°C

La temperatura di transizione (piuttosto elevata) può essere abbassata diminuendo il tenore degli elementi interstiziali (C+N)

180

Acciai inossidabili austenititci(hanno A3 ed A1 < 20°C)

Sono esposti al pericolo della sensibilizzazione (600-700°C), che, in determinate condizioni, rende possibile l’attacco corrosivo intergranulare.Per ovviare a tale problema si può:• Diminuire la % di C (fino a 0.02%)• Aggiungere elementi di lega stabilizzanti (Nb,Ti), effettuando il trattamento di stabilizzazione (885°C-2h)• Effettuare un trattamento di solubilizzazione (1000°C)

Fra i trattamenti termici si può ricordare anche la distensione (a 350-450°C) che viene effettuato solo in taluni casi

181

Impiego a basse temperature

Impiego ad elevate temperatureSi può avere:• Precipitazione di carburi• Segregazione fase σ

182

Acciai per impieghi a bassa T- fino a 0°C : Acciai al carbonio effervescenti e semicalmati; - fino a –20°C : Acciai al carbonio calmati;- fino a –45°C : Acciai al Mn (≅ 1%) calmati e normalizzati;- fino a –80°C : Acciaio 1.5% Ni normalizzato;- fino a –103°C : Acciaio 3.5% Ni normalizzato e rinvenuto a 620°C;- fino a –196°C : Acciaio 9% Ni sia bonificato che normalizzato e rinvenuto;- fino a –269°C : Acciai inossidabili austenitici.

Acciai per impieghi ad elevata T

- fino a 450°C Acciai al C (%C<0.2, %Mn<1.6, 0.15<%Si<0.5,%S e %P<0.04); Acciaio con C (0.16%) e Mo (0.5%)

- fino a 520°C Acciaio con Cr (1%) e Mo (0.5%);- fino a 600°C Acciaio con Cr (2.25%) e Mo (1%);- fino a 1100°C Acciai inossidabili ferritici (AISI 446).

Devono resistere allo scorrimento viscoso ed alla ossidazione

183

Acciaio al 13%Mn (acciaio Hadfield)X120Mn12

Amagnetico, estremamente tenace, ha una elevatissima capacità di incrudimento e viene utilizato quando si prevedono delle sollecitazioni contemporanee di urti ed abrasione. Ha una lavorabilità a freddo nulla.Per %Mn>12 si ottiene austenite stabile a 20°C. La composizione tipica è:%C=1.1-1.4 %Mn=11-14 %Si<0.7

Aumenta Rs Stabilizza austenite

Raffreddamento lentissimo

Riscaldamento a 1050°C

Raffreddamentoin H2O

Si ottengono piccoli quantitativi di perlite e carburi di Fe e Mn

Si solubilizzano i carburi

184

Ghise

Il passaggio dal diagramma metastabile (linee continue a quello stabile (linee tratteggiate) è legata alla decomposizione della cementite:Fe3C → 3 Fe + C

Sono leghe ferrose che durante la solidificazione formano, almeno in parte, l’eutettico ledeburitico

185

Nel caso delle ghise, l’influenza dei vari elementi di lega, oltre a riguardare la microstruttura (elementi alfageni e gammageni) e la capacità di formare precipitati (ossidi, carburi, nitruri), deve considerare anche la capacità di agevolare la decomposizione della cementite, ovvero il loro effetto grafitizzante. Il fenomeno della grafitizzazione dipende:- dalla velocità di raffreddamento (natura della parete del getto, grandezza del pezzo), con la grafitizzazione che viene agevolata da velocità di raffreddamento basse.- dalla presenza di elementi grafitizzanti, quali il Si, o di antigrafitizzanti, quali il Mn.

I tenori negli elementi normali di elaborazione, Mn, Si, P, sono normalmente più elevati che negli acciai.

186

• Il Si è l’elemento grafitizzante per eccellenza

• Il Ni ha un effetto grafitizzante 4 volte inferiore a quello del Si• Al, Ti, Zr hanno una influenza simile a quella del Si• Il Cu è un debole grafitizzante e promuove la formazione di perlite• Il Cr promuove la formazione di carburi• Così pure Mo, V, Mn, W• Ta stabilizza i carburi

Ce = 4.3 - Si/3.2

Il tenore di C corrispondente all’eutettico (Ce) diminuisce secondo la relazione:

187

Influenza della velocità di raffreddamento sulla microstruttura

Se si considera un tondo di diametro φ crescente, al centro si avranno velocità di raffreddamento via via sempre minori

188

Gli elementi di grafite sono classificati in base a (UNI3775-73):• Forma• Distribuzione• Dimensione

Forma degli elementi di grafite

I) Lamelle sottili con punte aguzzeII) Noduli con accentuate ramificazioni di lamelleIII)Lamelle spesse con punte arrotondateIV) Flocculi frastagliatiV) Flocculi compattiVI) Noduli a contorno circolare, quasi regolare (sferoidi)

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Distribuzione degli elementi di grafite

A) Distribuzione uniformeB) Rosette non orientateC) Lamelle non orientateD) Lamelle in zone interdendriticheE) Lamelle interdendritiche

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Le ghise sono tradizionalmente classificate nei seguenti gruppi:

• ghise grigie, così chiamate dal colore scuro delle superfici di frattura, grazie alla presenza di carbonio grafitico;• ghise bianche, così chiamate dal colore chiaro delle superfici di frattura, per la presenza del carbonio sotto forma di cementite;• ghise malleabili, così chiamate per la loro elevata deformabilità;• ghise sferoidali, in cui gli elementi di grafite si trovano sotto forma sferoidale;• ghise legate, che , grazie ad elevati tenori di alcuni elementi di lega, sono caratterizzate da particolari proprietà, come la resistenza al calore ed alla corrosione.

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Ghise grigieSono dette tali dal colore della superficie di frattura2 < %C < 4.51 < %Si < 3Durante la solidificazione si forma l’eutettico grafite-cristali γ. Per ottenere la resistenza di un getto di ghisa grigia si utilizza il seguente nomogramma

HB provettaR provetta R gettoHB getto }

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Le curve σ - ε non seguono la legge di HookeE è determinata arbitrariamente con delle formule empiriche oppure con la pendenza fra l’origine ed un punto corrispondente ad una sollecitazione pari ad 1/4 Rm

Hanno una buona resistenza all’usura e lavorabilità (per asportazione di truciolo). Sopra i 300°C si hanno:- grafitizzazione e formazione carburi- processi di ossidazione e corrosione- trasformazioni allotropiche

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Ghise biancheIl carbonio si trova legato a formare cementite.La ghisa solidifica e raffredda secondo il sistema metastabile. Per ottenerla si possono modificare la composizione chimica oppure la velocità di raffreddamento2.5 < %C < 3.5 (dipende dalla durezza desiderata)%Si < 0.7Cr (di solito <2%, può arrivare al 27%) favorisce la formazione di carburiCu produce un affinamento della strutturaMo ha un comportamento simile a quello del CrV forma e stabilizza i carburiTe stabilizza i carburiB simile al Te, affina anche il granoC Si Mn Cr Ni Mo S P HB2.9 0.5 0.5 - - - 0.12 0.10 415-4603.2 0.5 0.6 2.0 4.5 - 0.12 0.20 550-6503.25 0.6 0.7 15.0 - 3.0 0.03 0.06 600-750

Hanno una elevata resistenza all’usura ed all’abrasione, ma sono più fragili e più dure delle ghise grigie.Necessitano di un trattamento a 200-480°C per eliminare le tensioni residue

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Ghise malleabiliSono ottenute da ghise biancheSono caratterizzate da una certa plasticità a freddoSi ottengono mediante malleabilizzazioneSi possono avere due processi di malleabilizzazione: • a cuore bianco• a cuore nero

Ghise malleabili a cuore bianco

Riscaldamento a 900-1000°C in ambiente decarburante (Fe2O3)

Permanenza per un tempo

sufficiente (120-150h)

Raffreddamento a T ambiente molto lento

• Grafitizzazione• Diffusione del C• Decarburazione superficiale

Piccole sezioni: matrice ferriticaGrosse sezioni: matrice perlitica

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Ghise malleabili a cuore nero

Riscaldamento a 950°C in ambiente

neutro

Permanenza per un tempo sufficiente

Raffreddamento a T ambiente molto lento

• Grafitizzazione• Diminuzione della solubilità del C nella austenite

Matrice prevalentemente ferritica

La grafite che si ottiene è sotto forma di noduli

di ricottura

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Ghise sferoidali

• La grafite precipita sotto forma di noduli• Sono duttili

%C = 3.4-4%Si = 2-3%Mn = 0.1-0.8%P < 0.01%S < 0.02Gli elementi che permettono la sferoidizzazione della grafite sono Mg, Ce, Ca, Li, Na, Ba.%Mg residuo = 0.04-0.08

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Trattamenti termici • Stabilizzazione (540-600°C): per eliminare tensioni interne• Ricottura (850-920°C): per ottenere una struttura ferritica, per ottenere la massima deformabilità plastica• Normalizzazione (900°C): per ottenere struttura perlitica• Bonifica• Tempra superficiale alla fiamma• Tempra superficiale ad induzione

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Ghise resistenti alla corrosione%Si > 3 promuove la formazione di una pellicola superficiale protettiva negli ambienti ossidanti%Cr < 35 favorisce la formazione di un ossido protettivo agli ambineti ossidanti%Ni < 32 migliora la resistenza agli ambienti riducenti%Cu < 6 migliora la resistenza all’acido solforico

Rm = 90-130 MPa

Ghise al Si Ghise al Cr Ghise al Ni%C 0.4-1 2-4 2-3%Si 14-17 0.5-3 1-2.75%Mn 0.4-1 0.3-1.5 0.4-1.5%Ni - <5 14-32%Cr - 12-35 1.75-5.5%Cu - <3 <7%Mo <3.5 <4 <1

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Ghise resistenti al calore• Non si deve avere una eccessiva dilatazione per grafitizzazione• La penetrazione dell’ossigeno deve essere perlomeno limitata• Si deve avere una buona resistenza alla criccatura per urto termicoSi, Cr promuovono la formazione di uno strato protettivoNi, Mo aumentano la tenacità ed Rm ad elevata TMn, P, Cr, Mo, V riducono dilatazione della ghisa, in quanto stabilizzano i carburi

Ghisa lamellare Ghisa sferoidaleAl Silicio Al Cromo Al Nickel

%C 2-2.5 2-3 <2.9%Si 4-6 0.5-2.5 1.75-3.2%Mn 0.4-0.8 0.3-1.5 0.8-1.5%Ni - < 5 18-22%Cr - 15-35 1.75-2.5Rm = 420-700 MPa (matrice perlitica)Rm = 380-450 MPa (matrice austenitica)

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Leghe di Alluminio (Al)L’Al puro è caratterizzato dalle seguenti proprietà:Rm = 55-90 MPaRe = 20-50 MPaHB = 18E = 66,6 GPaI prodotti commerciali dell’alluminio sono tipicamente leghe contenenti Cu, Si Zn, Mg e Mn

1xxx Al di purezza industriale2xxx Leghe contenenti Cu3xxx Leghe contenenti Mn4xxx Leghe contenenti Si5xxx Leghe contenenti Mg6xxx Leghe contenenti Mg + Si7xxx Leghe contenenti Zn8xxx Altre leghe

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Trattamenti termici leghe Al

• Omogeneizzazione: Sono dei riscaldamenti effettuati a 450-610°C per 6-48 ore effettuati per disciogliere tutte le fasi eventualmente precipitate.• Trattamenti di addolcimento: hanno lo scopo di addolcire un metallo indurito (p.e. a seguito di tempra strutturale). Se si tratta di restaurazione viene effettuata a 200-300°C, mentre se si tratta di una recristallizzazione si effettua a 300-400°C per 0.5-3 ore• Tempra di soluzione (o tempra strutturale) + invecchiamento (naturale o artificiale)

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Leghe di Rame (Cu)L’Al puro è caratterizzato dalle seguenti proprietà:Rm = 23-50 MPaRe = 7-30 MPaHB = 40E = 117 GPaLe leghe più diffuse sono quelle con:• Zn (ottone)• Sn (bronzo)• Si (bronzo al silicio)• Al (bronzo all’alluminio o cupralluminio• Ni (cupronichel, monel)

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Saldatura degli acciaiLa saldatura dei materiali metallici è un processo tecnologico che consiste nel fornire continuità meccanica e metallica a due o più lembi mediante fusione (e/o pressione) e successiva solidificazione.

Sorgenti di energia impiegate in saldatura, da sole o in coppia:• Elettriche

• Laser• Meccaniche

•Chimiche

ArcoPlasmaScintillioEffetto JouleFascio elettronico

UrtoPressioneEsplosioneAttritoUltrasuoni

Fiamma Reazioni esotermiche

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Tecniche di saldatura• Saldatura per fusione

Ad arco

Chimica

Fisica

Ad elettrodi rivestitiAd arco sommersoIn atmosfera gassosaElettrogasPlasma

GasAlluminotermica

Fascio elettronicoLaserElettroscoria

Esplosione AttritoUltrasuoni

Bollitura

{{

• Saldatura per pressioneResistenzaScintillioInduzione{

{{

Elettrica

Meccanica

Fuoco

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Rappresentazione tridimensionale diun cordone di saldatura formato da una sorgente termica in movimento

v = velocità movimento sorgente (m/s)W = potenza erogata (kJ/s)

Quantità di energia disponibile per unità di lunghezzaH = W/v (kJ/m)

Rapporto di diluizioneRd = vol. metallo base fuso/vol. totale zona fusa

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0.02 0.77

727

912

1394

1538

γ

α

δT [°C]

0.2%C

Liqu.1

2

3

4

1234

HV

207

Evoluzione della temperatura nel tempo al crescere della distanza dal cordone di saldatura

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• Zona 1: La temperatura non supera i 600°C circa• Zona 2: La temperatura è compresa fra 600°C ed Ac1• Zona 3: La temperatura è compresa fra Ac1 ed Ac3• Zona 4: La temperatura è compresa fra Ac3 e 1100°C circa• Zona 5: La temperatura è compresa fra 1100 e 1500°C (fusione). • Zona sotto cordone: nei vari punti del cordone, per velocità di raffreddamento decrescenti, si ottengono strutture martensitiche, bainitiche e ferriito-perlitiche.

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Influenza delle dimensioni del granonel metallo base e nella zona di

legame sulla struttura di solidificazione

Possibili difetti macroscopici in una saldatura testa-testa in ZF o in ZTA

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I principali problemi metallurgici della ZF sono:• Protezione dall’ambiente del bagno metallico• Condizioni di raffreddamento

I problemi relativi alla solidificazione sono principalmente tre:• Formazione di strutture dendritiche• Formazione di cavità di ritiro• Inglobamento di particelle non metalliche (ossidi, scorie,…)

La composizione del metallo di apporto deve essere simile a quella del metallo base, con le seguenti modifiche:• %C inferiore a quello del metallo base (p.e. 0.1% contro lo 0.2%)• Mo quasi sempre presente perché aumenta di molto la resistenza del giunto senza intaccare la tenacità (0.15-0.75%)• Ni generalmente più alto del metallo base, per le stesse ragioni del Mo• Si, S, P e V ridotti al minimo

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Lateralmente alla ZF si trova no due ZTA che possono subire, dopo una parziale oppure totale austenitizzazione, varie trasformazioni a seconda dell’apporto termico e della velocità di raffreddamento

Per la saldabilità di un acciaio si può utilizzare come parametro il Carbonio equivalente CE:

• Ceq < 0.4% : non ci sono particolari problemi metallurgici• 0.4< Ceq < 0.60 : si prescrive il preriscaldo dei lembi• Ceq > 0.60% si prescrivono sia un pre che un postriscaldo

Ceq = %C + %Mn/6 + (%Cr+%Mo+%V)/5 + (%Cu+%Ni)/15

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Precipitazione di carburi in zona termicamente alterata

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CorrosioneE’ il processo antitetico a quello della metallurgia estrattiva in quanto il metallo tende a riassumere una forma ossidata non dissimile da quella originaria del minerale. Tale processo è caratterizzato da una variazione negativa di energia libera (∆G<0), quindi avviene spontaneamente.

Gli ambienti più comuni per i fenomeni di corrosione sono rappresentati da soluzioni acquose contenenti elettroliti, da acide (H2SO4, HCl…) a basiche (NaOH, acqua di mare…), dall’atmosfera (per formazione di condensa), dal terreno, da gas ad alta temperatura (corrosione a secco).

214

Morfologie di corrosione

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Ferro Rame

Na+ Cl- Cl-Na+

Lo schema elementare per introdurre il fenomeno della corrosione è quello di due metalli diversi a contatto fra loro e con una soluzione acquosa

Il metallo meno nobile, in questo caso il ferro, si ossida secondo la reazione anodica:

Fe = Fe++ + 2e-

Sulla superficie del metallo più nobile (in questo caso il rame) si verifica una delle due reazioni catodiche, secondo la presenza o meno di ossigeno:

Reazione catodica con ossigeno: 1/2 O2 + H2O + 2e- = 2OH-

Reazione catodica senza ossigeno: 2 H2O + 2e- = H2 + 2OH-

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Ferro Ramecatodo

Na+ Na+Cl- Cl-

OH-Fe2+

anodo

La velocità di corrosione è un parametro che misura il passaggio di elettroni; nel caso di corrosione generalizzata, è esprimibile dalla densità di corrente elettrica (A/m2) che passa tra catodo ed anodo o dalla variazione di peso dell’anodo nell’unità di tempo e di superficie (mg/dm2 giorno) o di perdita di spessore dell’anodo nell’unità di tempo (mm/anno).

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Serie galvanica dei potenziali in acqua di marePlatino

OroArgentoTitanio

Acciaio inossidabile passivoLeghe di Ni

RameAcciaio inossidabile attivo

Acciaio al carbonioAlluminio

ZincoMagnesio

La corrosione si manifesta anche in presenza di un solo metallo grazie alla formazione sulla superficie del metallo di microzone anodiche e catodiche che cambiano di posizione casualmente nel tempo e nello spazio. Macroscopicamente si ottiene un attacco corrosivo generalizzato del metallo.

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Corrosione galvanica Corrosione uniforme

Corrosione localizzata Corr. sotto schermo

Pit crevice

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Metodi di protezione contro la corrosione

• Metodi cinetici: permettono di agire direttamente sulla velocità di corrosione. In tale categoria possono essere ricordati:- l’impiego degli inibitori;- l’impiego dei rivestimenti;-in una certa misura, la passivazione anodica, in cui il metallo viene portato nelle sue condizioni di passivazione, ovvero riesce a formare uno strato uniforme, sottile, compatto, ed aderente di ossido superficiale che svolge un ruolo protettivo.

• Metodi termodinamici: essi consistono nel far “funzionare” il metallo in condizioni di immunità. Si possono citare in tale categoria:- la scelta del metallo;- la protezione catodica, che permette di posizionare il metallo nella sua zona di immunità.

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Impiego di rivestimentiSi possono distinguere:• Rivestimenti metallici, ottenuti per:

- elettrolisi (Zn, Ni, Cr, Cu, Cd, ...)- immersione (Zn, Sn, Al)- diffusione di un elemento di lega (Zn, Al)- placcatura, su prodotti piani durante la laminazione a caldo (saldatura per diffusione). Sono placcati anche su acciaio al carbonio: acciai inossidabili, ottone, nickel, cupro-nickel, rame, ... .

• Rivestimenti non metallici- pitture, vernici contenenti eventualmente degli inibitori di corrosione;- smalti, vetri;- materie plastiche, gomme;- fosfatazione;- ossidazione anodica (Al) oppure chimica (Mg).

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Corrosione degli acciai inossidabili

Gli acciai inossidabili sono così denominati grazie alla loro caratteristica resistenza alla corrosione, dovuta alla formazione di un film protettivo passivante legato alla presenza del Cr. Diversi sono i parametri che influenzano la resistenza alla corrosione degli acciai inossidabili:• acidità del mezzo aggressivo (pH);• tenore in ioni alogenuri (essenzialmente Cl-);• potere ossidante della soluzione aggressiva;• temperatura.

Questi acciai hanno una buona resistenza alla corrosione generalizzata, dipendente dalla loro composizione chimica, ma risultano sensibili ad alcune forme di corrosione localizzata:•Vaiolatura (pitting);•Corrosione cavernosa;•Corrosione sotto sforzo;•Corrosione intergranulare

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Vaiolatura Affinché si possa avere si debbono verificare contemporaneamente le tre seguenti condizioni:•Ambiente ossidante•Presenza di ioni alogenuri (ad esempio Cl-)•Metallo passivabile (ad esempio acciaio inossidabile)Caso tipico è quello di strutture in acciaio inossidabile austenitico immerse in acqua di mare (ambiente ossidante contenente ioni Cl-)

Corrosione cavernosaAttacco corrosivo localizzato in cui fenomeni di idrolisi, diminuzione del pH e la presenza degli ioni Cl- giocano un ruolo importante.

Corrosione sotto sforzoLa corrosione sotto sforzo avviene ogni qual volta si hanno degli sforzi (esterni, residui post-saldatura, dovuti a trattamenti meccanici o termici ...) in presenza di ambienti clorurati. Gli acciai inossidabili austenitici subiscono in queste condizioni una fessurazione transgranulare piuttosto importante, mentre gli acciai inossidabili ferritici sembrano essere meno sensibili a questo tipo di corrosione

σ σ

223

Corrosione intergranulareAffinché si abbia questa forma di attacco corrosivo, il metallo deve subire un processo di sensibilizzazione ovvero permanere per tempi sufficienti a temperature comprese fra 500 ed 800°C, con conseguente precipitazione a bordo grano di carburi di Cromo del tipo Cr23C6. Nel caso questa precipitazione sia molto spinta si può avere unadepassivazione di queste zone, che divengono anodiche al contatto con il mezzo aggressivo. Un caso tipico è quello della corrosione intergranulare nelle zone sensibilizzate nel caso di saldatura di acciai inossidabili

I rimedi sono:• Solubilizzazione dei carburi precipitati (1000°C);• Impiego di acciai a basso tenore di C (< 0,02%)• Aggiunta di elementi tipo Ti, Nb, V, Ta (detti stabilizzanti) e trattamento di stabilizzazione (permanenza a 885°C per due ore, quindi raffreddamento in aria) in modo da far precipitare i carburi degli elementi aggiunti e NON di cromo.