Ingegneria acciai legati e acciai rapidi

ACCIAI SPECIALI

 

Contengono, oltre al ferro e al carbonio, altri elementi (cromo, manganese, molibdeno, nichel, rame, silicio, tungsteno, piombo ...) in percentuale tale da:

• Produrre modifiche strutturali
• Originare nuove strutture

 

Risultano modificate le caratteristiche e le proprietà fisiche, meccaniche e tecnologiche.

Pur non essendo possibile definire in maniera esauriente gli acciai speciali, una classificazione di essi può essere la seguente:

• acciai da costruzione
• acciai per utensili
• acciai per applicazioni particolari

 

Effetti prodotti dagli elementi speciali

Oltre alla variazione delle caratteristiche e delle proprietà, gli elementi aggiunti determinano:

• Spostamento dei punti critici
• Ritardo dell’inizio della trasformazione (curve TRC spostate verso destra con modifica della velocità critica di tempra)
• Aumento della durata della trasformazione
• Presenza, a freddo, di strutture che nella semplice lega Fe-C potevano essere ottenute soltanto mediante un trattamento termico.

 

Con riferimento al diagramma Fe-C, gli elementi aggiunti spostano il punto eutettoide (normalmente corrispondente a C = 0,87 %) verso percentuali inferiori di carbonio, restringendo così il campo degli acciai ipoeutettoidi ed allargando il campo degli acciai ipereutettoidi.

 

ELEMENTI AGGIUNTI NEGLI ACCIAI E LORO INFLUENZA

• Il Nichel

 

Il nichel migliora le proprietà meccaniche e tecnologiche in misura maggiore rispetto a quella di tutti gli altri elementi normalmente aggiunti. In particolare:
— aumenta la resilienza
— aumenta l'allungamento percentuale e la duttilità
— aumenta il carico di rottura a trazione e la durezza

• facilita il trattamento termico di tempra.

La presenza del nichel negli acciai è invece negativa per quanto riguarda:
— la lavorabilità alle macchine utensili
— la conducibilità termica.

Tra le leghe aventi una percentuale elevata di nichel si ricordano i due seguenti per le loro particolari caratteristiche: Invar e Platinite

• Il Cromo

 

La presenza del cromo negli acciai produce i seguenti effetti:
— aumenta la resistenza alla corrosione e all'ossidazione a caldo (quando é presente con una percentuale > 11,5 %)
— facilita il trattamento termico di tempra
— aumenta la durezza, la resilienza, il carico di rottura
— aumenta la resistenza all'usura
— diminuisce la conducibilità termica
— diminuisce la lavorabilità.

• Il Tungsteno

 

Il tungsteno è usato soprattutto per la fabbricazione di acciai per utensili in percentuale da 10 a 25 % (acciai rapidi e superrapidi) dato che esso conferisce elevata durezza che viene mantenuta anche a caldo.
Il tungsteno conferisce agli acciai i seguenti effetti:
— elevata durezza (che viene mantenuta anche a caldo)
— grande resistenza all'usura (sia a bassa che ad alta temperatura)
— aumento del carico di rottura a trazione (sino a 10 % di tungsteno)
— diminuzione della resilienza

• diminuzione dell'allungamento percentuale a rottura.

ACCIAI DA COSTRUZIONE

 

Gli acciai “da costruzione” sono quegli acciai utilizzabili per la costruzione di macchinari, manovellismi, alberi, ingranaggi ...

Una classificazione degli acciai da costruzione può essere la seguente:

• acciai tipizzati

a) da cementazione
b) da bonifica

• acciai per tempra superficiale
• acciai da nitrurazione
• acciai per molle
• acciai per l’industria petrolifera
• acciai per cuscinetti
• acciai per bulloneria

ACCIAI TIPIZZATI

Allo scopo di ridurre i costi e di ottenere maggior costanza nel livello di qualità, sono state prese delle iniziative intese a concentrare su alcuni tipi di acciai speciali da cementazione e da bonifica il maggior interesse dei consumi.
Le indagini di mercato hanno portato alla conclusione che la maggior parte dei problemi che si pongono agli utilizzatori si possono risolvere con solo 5 acciai, dei quali 3 dono da cementazione al cromo-nichel e al cromo-nichel-molibdeno e 2 da bonifica al nichel-cromo-molibdeno.

In particolare:

• 15 Cr Ni 4                     acciaio da cementazione UNI 5331
• 20 Cr Ni 4                     acciaio da cementazione UNI 5331
• 18 Ni Cr Mo 5               acciaio da cementazione UNI 5331
• 39 Ni Cr Mo 4               acciaio da bonifica UNI 5332
• 40 Ni Cr Mo 7               acciaio da bonifica UNI 5332

 

- Acciai da cementazione

Gli acciai da cementazione hanno basso contenuto di carbonio (C ≤ 0,20 %) e possono contenere nichel, cromo e molibdeno.

Acciai da cementazioni sono per esempio: C 10 – C 15 – 20 Cr Ni 4 – 12 Ni Cr 3 – 18 Ni Cr Mo 7  UNI 7846

 

Impieghi: ingranaggi di qualsiasi tipo, assi, alberi di distribuzione e di trasmissione, mozzi, perni, boccole, spinotti, coni, chiocciole ...

- Acciai da bonifica

Gli acciai da bonifica hanno medio tenore di carbonio (C = 0,3 ÷ 0,6 %) e possono contenere cromo, nichel e manganese.

Acciai da bonifica sono per esempio: C 40 – C 60 – 35 Cr Mo 4 – 40 Ni Cr Mo 7  UNI 7845.

Impieghi: alberi di qualsiasi tipo, semiassi, aste, bielle, leve, organi di collegamento ...

Gli acciai da bonifica sono richiesti per pezzi di grandi dimensioni per i quali non é possibile fare la cementazione che provocherebbe deformazioni.

La bonifica costa meno della cementazione.

ACCIAI DA NITRURAZIONE

Gli acciai da nitrurazione hanno medio tenore di carbonio (C = 0,3 ÷ 0,6 %) e possono contenere cromo, alluminio, vanadio, molibdeno ...

Acciaio da nitrurazione é per esempio: 41 Cr Al Mo 7 UNI 8077 o 8552.

Sono impiegati per indurire superficialmente pezzi di forma molto complicata come alberi a gomito e quando si voglia ottenere una buona resistenza al nucleo con una durezza molto elevata.

ACCIAI PER MOLLE

Sono acciai che hanno un elevato limite di elasticità e possono essere sia acciai semplici (al solo carbonio) che acciai legati.

Sono soprattutto acciai al silicio aventi:

C = ≤ 1 % (mediamente C = 0,5 %)
Si ≤ 2 %
Mn ≈ 0,7 %

Questi acciai vengono temprati in olio e poi rinvenuti a 450 ÷ 500 °C.
Dopo il trattamento presentano elevata resistenza a trazione ed alto limite elastico.
ACCIAI PER CUSCINETTI

Gli acciai per cuscinetti contengono circa l’1 % di carbonio, che conferisce durezza dopo trattamento termico.

Hanno come elementi in lega cromo, molibdeno e nichel.

Acciai per cuscinetti sono per esempio: 100 Cr 6 – 100 Cr Mn 4 – X 110 Cr Ni 17

Glia acciai per cuscinetti, dopo tempra in olio, risultano con minime deformazioni e possiedono elevate caratteristiche di durezza, resistenza all’usura e alla compressione.

Impieghi: sfere, anelli e rulli per cuscinetti da rotolamento, fusi per macchine tessili.

 

ACCIAI PER UTENSILI

Le principali proprietà che deve possedere un materiale per utensile sono: durezza, resistenza all’usura ed all’abrasione, mancanza di fragilità, resistenza agli shock termici, temprabilità, attitudine al taglio.

Acciai rapidi

Gli acciai rapidi, detti così perché permettono elevate velocità di taglio nelle lavorazioni alle macchine utensili per asportazione di truciolo, sono acciai legati ad alto contenuto di elementi (tungsteno, cromo, vanadio e molibdeno), che determinano la formazione di carburi, con elevate caratteristiche di durezza e resistenza all’usura, anche quando la temperatura raggiunge i 600 ÷ 650 °C.

Acciai super rapidi

Sono anch’essi acciai fortemente legati ma, rispetto a quelli rapidi, hanno una maggior percentuale di tungsteno ed il cobalto:

W = 17 ÷ 23 %
Co = 4 ÷ 10 %

Acciai per lavorazioni a caldo

Sono acciai utilizzati per la costruzione di stampi, matrici e punzoni.

 

Esempi: 40 W Cr 20 KU - 52 Ni Cr Mo 6 KU - X 28 W 9 KU – X 35 Cr Mo 5 KU

Acciai per lavorazioni a freddo

Sono acciai duri e resistenti all’usura, utilizzati per la costruzione di scalpelli, lame (o coltelli) di tranciatrici, matrici e punzoni, trafile, conii per monete, lame per seghe ...

Questi acciai hanno alto contenuto di carbonio (C > 0,5 % fino al 2,3 %) e sono legati con tungsteno e cromo.

Fra i tipi unificati ricordiamo: 52 W Cr 20 KU – 100 Cr Mn 4 KU – 85 Mn V 8 KU – X 150 Cr Mo 12 KU – X 200 Cr 13 KU

 

ACCIAI PER USI PARTICOLARI

Comprendono un grandissimo numero di acciai, che vengono ulteriormente suddivisi in varie categorie a seconda delle applicazioni.

Acciai strutturali

Sono accia da carpenteria, che vengono usati sotto forma di lamiere, profilati, tubi per costruzioni saldate o chiodate.

Acciai strutturali sono: Fe 330 - Fe 340 – Fe 420 – Fe 520

Acciai automatici

Sono acciai al piombo o allo zolfo.

Il piombo conferisce agli acciai la proprietà tecnologica della “truciolabilità”.

Gli acciai al piombo sono detti automatici perché vengono molto impiegati nelle grandi produzioni (in serie) di piccoli oggetti ricavati dalla barra con torni automatici (a torretta).

Acciai ad alta resistenza

Sono acciai caratterizzati da un’alta resistenza a trazione e buona tenacità (anche alle alte e alle basse temperature), nonché da elevata resistenza alla corrosione.

Tra questi ricordiamo gli acciai Maraging.

 

Acciai per alte temperature

Sono acciai legati, che conservano buone proprietà meccaniche anche alle alte temperature.

I materiali metallici, quando operano ad elevata temperatura, peggiorano le loro proprietà meccaniche a causa dello scorrimento viscoso a caldo, fenomeno che determina la deformazione plastica del materiale stesso quando esso é sottoposto ad un carico costante. Normalmente il fenomeno si manifesta negli acciai per una temperatura superiore ai 350 °C.

Un elemento che in lega nell’acciaio innalza la resistenza allo scorrimento a caldo é il molibdeno. Il cromo é presente per aumentare la resistenza alla corrosione.

Acciai per basse temperature (acciai criogenici)

Sono acciai resistenti alle basse temperature (fino a – 253 °C).

Tutti gli acciai, sia quelli al carbonio che quelli debolmente legati, subiscono una diminuzione di resilienza al diminuire della temperatura alla quale operano. Alle basse temperature, infatti, la frattura per urto da tenace diviene fragile.

Il nichel é l’elemento che maggiormente contrasta la diminuzione della resilienza al diminuire della temperatura. Il carbonio deve avere bassa percentuale, così pure il piombo.

 

Acciai maraging

Gli acciai maraging, fabbricati in USA negli anni ’60, sono acciai speciali al nichel.

Il termine “maraging” deriva dalle parole inglesi “martensite aging” che indicano l’aumento di durezza della martensite mediante rinvenimento (o invecchiamento).

Gli acciai maraging sono acciai fortemente legati, ad alto contenuto di nichel ed a basso tenore di carbonio, capaci di assumere elevatissima tenacità mediante appropriati trattamenti termici.

Gli acciai maraging non sono soggetti alla rottura fragile e sono poco sensibili agli intagli e alle fessurazioni. Conservano buona tenacità anche alle temperature sotto zero e presentano una rottura duttile anche quando nel pezzo esistono fessurazioni od intagli.

Sono impiegati dove si richiedono caratteristiche meccaniche e pesi leggeri (per esempio nell’industria aerospaziale).

Composizione chimica

Vediamo quali sono i principali elementi presenti negli acciai maraging e la loro influenza.

• Il carbonio é presente in percentuale molto limitata (0,03 % massimo)
• Il nichel, che é l’elemento più importante, ha un tenore di circa il 18 %. Esso consente, mediante il raffreddamento in aria, di trasformare l’austenite, che si é formata col riscaldamento a 750 ÷ 900 °C, in una particolare martensite costituita da una soluzione solida di nichel disciolto nel ferro α, molto duttile perché la percentuale di nichel é elevata e quella di carbonio é bassissima.
• Il cromo, presente con un tenore di 8 ÷ 15 %, conferisce resistenza all’ossidazione e durezza dopo il rinvenimento a causa della precipitazione del composto ai bordi dei grani.
• Il titanio (0,2 ÷ 0,8 %), il molibdeno (3 ÷ 5 %) e il cobalto (8 ÷ 9 %), aumentano la durezza dopo il trattamento di rinvenimento, a causa della precipitazione dei composti intermetalli ai bordi dei grani.
• L’alluminio (0,1 %), oltre che indurire la martensite rinvenuta, disossida l’acciaio quando é ancora allo stato liquido.
• Zolfo, manganese e silicio, per non peggiorare le proprietà dell’acciaio (fragilità) devono essere presenti in quantità limitatissima.

 

Caratteristiche	Valori acciaio 200
Durezza Rockwell	44 ÷ 48 HRC
Resistenza a trazione	1350 ÷ 1600 N/mm2
Carico di snervamento	1300 ÷ 1500 N/mm2
Allungamento	6 ÷ 12 %
Strizione	35 ÷ 67 %
Modulo di elasticità normale	184000 N/mm2
Limite di fatica a flessione rotante dopo 108 cicli su provetta liscia	600 ÷ 750 N/mm2
Resilienza Charpy KV	45 ÷ 85 J/cm2
Temperatura di duttilità nulla	Sotto – 184 °C
Resistenza a caldo	350 °C

(The International Nickel Co. Inc.)