acciaio

Diagramma delle fasi Fe/C, con le condizioni per la formazione delle singole fasi. Per modifiche di temperatura estremamente lente.

 

Ferro e carbonio

Carbonio è l'elemento di lega più importante. La qualità dell'acciaio non dipende solo dal contenuto di carbonio, ma anche dal tipo di trattamento termico.

Nell'immagine le singole fasi sono:

1. α - ferro puro - ferro alfa
2. γ - austenite
3. * - ledeburite
4. dopo † - ferrite
5. sopra † - perlite
6. I - fuso

Nel grafico si vede così detta caratteristica a forma di V, che si verifica nei sistemi che sono completamente solubili solo nello stato liquido e poco solubili nello stato solido (vedi eutettico).

Fondamentalmente questo diagramma può essere suddiviso in parti:

• Eutettica - sotto la fase fusa, con eutettico a 1150 °C, contenuto di carbonio 4,3 %
• Eutektoidale - trasformazione di fase solida, sotto la regione γ, con eutektoida a 723 °C, contenuto di carbonio 0,8 %
• Peritektico - una regione relativamente piccola in alto a sinistra (cristalli delta) con peritektoida intorno a 1430 °C.

Tuttavia queste fasi si manifestano solo in raffreddamenti/raiscaldamenti estremamente lenti. In caso di raffreddamento rapido (tempra) si forma ad esempio martensite, che aumenta la durezza. Con un raffreddamento lento negli acciai austenitici si aumenta in genere la tenacità.

Per i processi dinamici si utilizzano diagrammi TTT. La posizione dei diagrammi TTT può essere rappresentata in modo che sull'asse binario verticale aggiungiamo anche l'asse del tempo ("esce" dall'immagine). Questi cambiano molto in base al contenuto di carbonio e di lega. In essi compaiono anche fasi intermedie come ad esempio bainite.

Un'influenza significativa ha manganese, che rende l'acciaio austenitico anche con un maggiore contenuto di carbonio e favorisce la formazione di martensite anche con un raffreddamento lento.

Troppa carbonio in generale aumenta la fragilità, ossia riduce tenacità a cricca, questo problema non riguarda fonderia plasmabile.

Si aggiunge o in forma di carburi al fuso o si permette l'assorbimento superficiale nell'acciaio austenitizzato (ad esempio durante la cementazione).

Elementi di lega

Per ulteriori informazioni vedere l'articolo principale: Legatura

Nella produzione di diversi tipi di acciaio (in base all'uso) si utilizzano diversi elementi di lega (leghe), che vengono aggiunti al fuso per modificare le proprietà dell'acciaio. Le leghe vengono aggiunte principalmente versandole direttamente nel fuso di ferro. A volte la lega si fonde più facilmente del ferro o viceversa. In questi casi si utilizzano trucchi, come eutettizzazione, ma non si ottiene una lega pura. Nel caso di una scarsa solubilità della lega nel fuso dell'acciaio è necessario utilizzare metallurgia a polveri. Si chiama anche sinter.

• Durezza

La durezza aumenta con le leghe: vanadio - grazie alla carburizzazione, tungsteno - carburi estremamente duri, in grado di tagliare anche il metallo rovente

• Resistenza

La resistenza aumenta con le leghe manganese, cromo, nikel, ma anche con ulteriori trattamenti meccanici come ad esempio laminazione a freddo e trattamenti termici come ad esempio tempra. La resistenza teorica del ferro con una griglia cristallina ideale (valore calcolato) è intorno a 40000 N.mm^-2. L'acciaio più resistente sul mercato ha 1500 N.mm^-2.

• Resistenza all'usura

Questa proprietà è necessaria per componenti sottoposti a usura (ad esempio giunti di cingoli) o per utensili di lavoro dove si consuma la lama. Per migliorare questa proprietà utilizziamo le leghe: Carbonio - martensite, ma anche cementite, Cobalto, Vanadio, Tungsteno

• Resistenza al calore, resistenza alle alte temperature

L'acciaio comune perde proprietà - soprattutto durezza e resistenza (motori, turbine ...) - con il carico termico (già a 300 °C). La resistenza alle alte temperature migliora con l'aggiunta di leghe: nikel, tungsteno, cromo, molibdeno, vanadio. La temperatura nominale di lavoro per tali acciai va da 300 °C a 550 °C. Gli acciai sopra i 550 °C sono già acciai ad alte temperature. Sopra i 800 °C la maggior parte degli acciai non è più utilizzabile. In condizioni di laboratorio si può produrre un acciaio che a 1000 °C ha circa 500 N.mm^-2, ma è estremamente difficile da produrre (richiede diversi passaggi produttivi e un'attrezzatura dura).

• Elasticità

L'elasticità è la proprietà che indica fino a che punto si può deformare l'acciaio in modo che ritorni allo stato originale. Questa proprietà si utilizza ad esempio nelle molla. Per migliorare l'elasticità si lega l'acciaio con silicio.

• Leghe speciali

Magnesio - favorisce la formazione di grafite sferoidale negli acciai plasmabili (fonderie con proprietà simili all'acciaio), Berillio - leghe Cu-Be dell'acciaio, riduce la fatica del materiale (con carico ripetuto), ad esempio nelle molle

 

Classificazione dell'acciaio

In base al contenuto di carbonio

• Sottoeutektoidi - con contenuto di carbonio inferiore a 0,8 %
• Eutektoidi - 0,8 % di carbonio
• Sopraeutektoidi - tra 0,8 % e 2,06 %

In base alla legatura

• Legati poco
• Legati molto - oltre il 5% di elementi di lega

In base alla deossigenazione

• Deossigenati - l'ossigeno è stato rimosso
• Non deossigenati

In base all'uso

1. Acciai per automazione - acciai destinati a ulteriore lavorazione a truciolo
2. Acciai per tempra - acciai destinati a ulteriore trattamento termico
3. Acciai per cementazione - acciai destinati a rafforzare componenti usurati. Acciai poco legati o non legati con meno del 0,25% di carbonio, che vengono cementati (carburizzati) e temprati in superficie. Anche dopo la tempra hanno buone proprietà plastiche.
4. Acciai strutturali - acciai per strutture edilizie e meccaniche, per l'uso è decisiva anche l'economia
5. Acciai per nitrurazione - estremamente duri e resistenti all'usura. Durezza 750 HV fino a 1200 HV.
6. Acciai per molle - alta soglia di elasticità.
7. Acciai non fragili (acciai criogenici) - acciai che non si rompono a basse temperature. Non legati fino a -60 °C, legati poco fino a -120 °C e legati molto fino a -250 °C.
8. Acciai per cuscinetti
9. Acciai da utensile - acciai per la produzione di utensili, che siano per la lavorazione a truciolo o per attrezzi manuali
10. Acciai alimentari - acciai speciali con zero contenuto di metalli pesanti e impurità dannose
11. Acciai per stampaggio profondo - acciai per lamiere pieghevoli, ad esempio per la produzione di carrozzerie auto. In genere acciai a basso contenuto di carbonio.

 

Oggi

Produzione

Base

Oggi l'acciaio si produce in due modi - o si produce come acciaio primario (solo la sua base) in forni alti. In realtà solo ferro grezzo - che viene poi raffinato e deossigenato e successivamente si aggiungono leghe. Qui si utilizza Convertitore LD o negli ultimi anni Corex.

I forni Siemens-Martin sono oggi già completamente obsoleti.

O si mescola esattamente l'acciaio in forni elettrici. Questo metodo è spesso utilizzato nella produzione a piccola e media serie per la sua flessibilità economica.

Metodo Donawitz (Convertitore LD)

Nel fuso del convertitore si soffia attraverso un lungo tubo sottile - copula - 98% di ossigeno. Si aggiunge anche scorie e minerale per ridurre la proporzione di ferro grezzo. L'ossigeno reagisce con il ferro e si forma ossido di ferro FeO, che brucia le impurità non desiderate in questo ordine:

• Silicio - 2FeO + Si → SiO₂ +2Fe
• Manganese - FeO + Mn → MnO + Fe
• Carbonio - FeO + C → CO + Fe
• Fosforo - 5 FeO + 2P → P₂O₅ + 5Fe
• Zolfo - 2 FeO + S → SO₂ + 2 Fe

In questo metodo è necessario comunque aggiungere il fuso, perché la carica non si raffreddi. L'acciaio finito viene poi versato dal convertitore nel cestello per ulteriore lavorazione. Capacità massima del convertitore è ca. 250t.

Quasi il metodo più economico per la produzione di acciaio in grandi quantità.