L’acciaio viene commercializzato in una grande varietà di tipi, ciascuno con caratteristiche diverse, classificabili secondo la composizione chimica, la struttura, il processo di produzione, l'impiego prevalente. Una classificazione molto comune distingue cinque grandi categorie:

Costituiscono oltre il 90% di tutti gli acciai e contengono una quantità variabile, generalmente inferiore all'1,5%, di carbonio, un massimo di 1,65% di manganese, lo 0,60% di silicio e lo 0,60% di rame. Secondo il tenore o percentuale di carbonio, si dividono in:

• extra dolci: carbonio compreso tra lo 0,05% e lo 0,15%;
• semidolci: carbonio compreso tra lo 0,15% e lo 0,25%
• dolci: carbonio compreso tra lo 0,25% e lo 0,40%;
• semiduri: carbonio tra lo 0,40% e lo 0,60%;
• duri: carbonio tra lo 0,60% e lo 0,70%;
• durissimi: carbonio tra lo 0,70% e lo 0,80%;
• extraduri: carbonio tra lo 0,80% e lo 0,85%.

Gli acciai extradolci e dolci sono comunemente indicati come ferro. Gli acciai dolci sono i più comuni e meno pregiati

Sono caratterizzati dalla presenza di quantità variabili di uno o più elementi – quali vanadio, molibdeno, manganese, silicio, rame – in percentuali superiori a quelle contenute negli acciai al carbonio. Gli acciai legati vengono usati nella produzione di molti componenti meccanici: bielle, alberi, perni, sterzi, assali dei veicoli, ecc.

Rappresentano la più recente categoria di acciai e sono noti con la sigla HSLA (acronimo di high-strengthlow-alloy). Contengono solo piccole quantità di altri elementi quali, ad esempio, vanadio, e dunque sono in generale più economici dei normali acciai legati; vengono prodotti con particolari procedure, capaci di conferire loro una resistenza meccanica, anche alle basse temperature, e una resistenza alla corrosione superiori a quelle degli acciai al carbonio.

Contengono cromo (in quantità variabile tra il 12% e il 30%), nichel (fino al 35%) e altri elementi leganti, che li rendono brillanti e li proteggono dall'attacco degli agenti atmosferici e di gas e acidi corrosivi.

Presentano una resistenza meccanica non comune.

Trovano impiego nella realizzazione di tubature e serbatoi di raffinerie petrolifere e impianti chimici, di aerei a reazione e capsule spaziali, di apparecchiature e strumenti chirurgici, di protesi dentarie e chirurgiche.

Molto diffuso l'impiego nella produzione di pentolame, posate e utensili da cucina.

Oltre al carbonio possono essere presenti degli ulteriori elementi alliganti aggiunti per lo più sotto forma di ferroleghe. In base alla composizione chimica gli acciai si possono distinguere in quattro gruppi:

• acciai non legati sono acciai nel quale i tenori degli elementi di lega rientrano nei limiti indicati dal prospetto I della UNI EN 10020;

• acciai legati sono acciai per i quali almeno un limite indicato del suddetto prospetto I viene superato.

Per convenzione gli acciai legati si suddividono in:

• bassolegati: nessun elemento al di sopra del 5%,

• altolegati: almeno un elemento di lega al di sopra del 5%.

Questi acciai hanno una velocità di raffreddamento talmente bassa che assumono una struttura di tempra (martensitica) per semplice raffreddamento all'aria. Ulteriore caratteristica è la temperatura del rinvenimento, generalmente intorno ai 200 °C. Queste caratteristiche sono dovute al notevole tenore di elementi pregiati in lega, quali il nichel, il cromo, il molibdeno e il tungsteno, che spostano nettamente verso destra le curve anisoterme. Anche le caratteristiche meccaniche sono eccezionali, con resistenze a trazione elevatissime (dell'ordine di 2000 MPa) e una tenacità soddisfacente anche in virtù del raffreddamento meno drastico in aria. Sono autotempranti anche gli acciai al manganese e al nichel corrispondenti a punti della zona a struttura perlitica dei rispettivi diagrammi di Guillet, vicini alla zona di transizione con quelli a struttura martensitica, ma queste leghe non hanno applicazioni pratiche perché troppo fragili.

Interessanti applicazioni hanno invece gli acciai al cromo-nichel con C = 0,3% - 0,5%; Ni = 3% - 6%; Cr = l% - 2%, e somma dei tre elementi almeno uguale a 5%. Tali materiali dopo ricottura presentano struttura perlitica, assumono facilmente struttura martensitica con semplice raffreddamento all'aria e hanno sia elevata durezza che duttilità e tenacità soddisfacenti: possono rappresentare una valida alternativa ad acciai cementati o nitrurati. Caratteristiche di questi acciai sono:

• indeformabilità alla tempra, permettendo al pezzo di essere temprato successivamente alla lavorazione senza comprometterne la forma;

• semplificazione dei cicli di lavorazione con la soppressione di qualsiasi operazione di indurimento superficiale;

• assenza dello strato superficiale fragile la cui presenza che con la nitrurazione, impedisce di elevare la pressione unitaria, per pericolo di sfondamento dello strato stesso;

• resistenza elevata del pezzo, molto superiore a quelle ottenibili nel nucleo sia con gli acciai da cementazione sia con quelli da nitrurazione.

• la tempra non richiede vasche di raffreddamento e in presenza di aria calma risulta sufficientemente omogenea, dunque ideale per componenti di grosse dimensioni..

Per eseguire la carbocementazione conviene adoperare un acciaio con bassa percentuale di carbonio, non superiore allo 0,20%, per velocizzarne la diffusione e contemporaneamente avere già un nucleo tenace.
Essendo la cementazione costosa, non conviene risparmiare sulla tempra, che invece è indispensabile per massimizzare la durezza ottenibile. Il rinvenimento si ferma sempre al primo stadio.

Possono essere acciai non legati (C10, C16) oppure debolmente legati. Si utilizzano i leganti tipici dell'acciaio da bonifica:

• nichel, per la tenacità e la temprabilità;

• cromo e molibdeno, per la temprabilità e la stabilizzazione dei carburi.

Esempi: C10 (è il più debole), C16, Acciaio 16NiCrMo12 (è il più forte), Acciaio 20NiCrMo2, Acciaio 18NiCrMo5.

Proprietà richieste sono:

• tensione di snervamento vicina alla tensione di rottura;

• resistenza alla fatica, ottenuta con struttura omogenea di almeno 80% di martensite al cuore (quindi l'acciaio è molto temprabile).

Con le leghe al solo carbonio, in concentrazione superiore allo 0,40%, si hanno gli acciai armonici, per cemento armato precompresso, funi (in questo caso vengono patentati), strumenti musicali.
Per usi più impegnativi si aggiunge soprattutto il silicio fino al 2%, che rafforza ma infragilisce; il cromo aumenta la temprabilità, il nichel aumenta la tenacità. Alcuni esempi: 55Si7 per sospensioni e balestre dei treni; 52SiCrNi5 per molle di pregio; 50CrV4 (KVRG).
Si esegue sempre il rinvenimento a 450 °C così che i carburi precipitino ma non inizino a coalescere.

Sono acciai di altissima qualità, sono esenti da materiali intermetallici. Hanno un alto tenore di carbonio e si ottengono da una tempra seguita da rinvenimento a circa 150 °C.

Proprietà

• elevata durezza
• resistenza ad usura
• elevata resistenza a fatica.

Il più utilizzato è l'acciaio 100Cr6.

Acciaio inox o acciaio inossidabile è il nome dato correntemente agli acciai con un tenore di cromo indicativamente superiore al 13%, per la loro proprietà di non arrugginire se esposti all'aria e all'acqua: il cromo, ossidandosi a contatto con l'ossigeno, si trasforma in ossido di cromo (CrO₂) che crea uno strato aderente e molto resistente, impedendo un'ulteriore ossidazione (tale fenomeno è noto come passivazione).
Sono una classe estremamente importante di acciai, usata per gli scopi più disparati: a partire dalla loro scoperta nel 1913, e grazie soprattutto ai successivi progressi della metallurgia fra gli anni '40 e sessanta, hanno ampliato il loro sviluppo e le loro applicazioni; tuttora vengono perfezionati e adattati alle richieste dei vari settori industriali, come il petrolifero/petrolchimico, minerario, energetico, nucleare ed alimentare (molto noto in quest'ultimo settore l'acciaio inox 18/10, contenente il 18% di Cromo ed il 10% di Nichel).

Per le applicazioni meno severe si possono usare acciai al solo carbonio, altrimenti è necessario aggiungere elementi leganti per aumentare la durezza.

• Carbonio: una concentrazione dello 0,6% potrebbe già offrire la massima durezza, tuttavia parte del C si combina con altri elementi presenti e quindi può essere necessario aumentarne il contenuto.

• Manganese: ha azione disossidante, migliora la temprabilità e facilita la formazione di carburi.

• Silicio: ha azione disossidante, aumenta la resistenza all'ossidazione.

• Cromo: aumenta la temprabilità, stabilizza i carburi.

• Vanadio: previene l'ingrossamento del grano, utile per avere durezza ad alta temperatura.

• Tungsteno e molibdeno: utili per la resistenza all'usura alle alte temperature.

• Cobalto: presente negli acciai super-rapidi.

Data la presenza di carburi di difficile soluzione, la tempra è eseguita ad alta temperatura; si deve comunque valutare bene quest'ultima in quanto, se troppo bassa, il carbonio non si scioglie e si forma martensite povera; se troppo alta, un'eccessiva quantità di carbonio entra nell'austenite stabilizzandola fino a bassa temperatura.
Nel caso di acciai per lavorazioni a caldo e rapidi, si ha un indurimento secondario aumentando la temperatura di rinvenimento oltre i 400 °C.

È la più importante tipologia di acciaio utilizzato nella costruzione di utensili per la lavorazione veloce del metallo. Se ne può fare la seguente schematizzazione:

• super rapido (ad esempio X78WCo1805 KU), riconoscibile dalla presenza del cobalto e adatto ad alte velocità di taglio (v_t = 40 m/min su materiale con R_m = 500 MPa) ma non ad utensili sottoposti ad urti (ad esempio: barrette, placchette, frese...);

• rapido (ad esempio X85WMo0605 e X85WMoCoV6.5.4.2 KU), che si distingue dal precedente soprattutto per l'assenza del cobalto, acquistando così maggiore tenacità (punte elicoidali, maschi, creatori, coltelli...);

• semi rapido per medie e basse velocità di taglio (v_t = 15 m/min su materiale con R_m = 500 MPa).

Normalmente l'acciaio rapido è ricotto a 800-900 °C, temprato a 1180-1300 °C e rinvenuto a 550 °C anche più volte (a causa dell'enorme quantità di austenite residua).

È una tipologia di acciaio utilizzato nelle lavorazioni con temperatura maggiore di 300 °C e le sue caratteristiche principali sono:

• resistenza all'ossidazione
• resistenza meccanica a caldo
• resistenza allo shock termico
• resistenza alla fatica termica

Le ultime due caratteristiche derivano dall'elevata tenacità del materiale dovuta alla bassa concentrazione di carbonio (0,3% - 0.4% C) e alla presenza del Vanadio che serve per mantenere ridotte le dimensioni del grano ad alte temperature.

L'elevata durezza è solitamente dovuta all'alto tenore di carbonio; altre proprietà, quali tenacità, resistenza all'usura, indeformabilità al trattamento termico, penetrazione di tempra, capacità di taglio..., sono raggiunte con ulteriori elementi in soluzione. Non ci si deve stupire quindi della composizione molto varia di questi acciai: al carbonio, al cromo-carbonio, al tungsteno-cromo, al tungsteno e al manganese-vanadio.

Il rinvenimento deve essere attorno ai 200 °C, altrimenti si decompone la martensite.
Esempi di acciaio di questa categoria sono X210Cr13, che si può usare per la costruzione di lame per sega circolare, 107WCr5KU, impiegato negli utensili per la lavorazione del legno, X205Cr12KU, utile per esempio per la produzione di punzoni per stampi di pressatura di polveri metalliche.

Normalmente l'acciaio ha una struttura cristallina; con velocità di raffreddamento estremamente rapide è possibile inibire la nucleazione, ottenendo una struttura amorfa (stato vetroso). Questo tipo di materiale detto acciaio amorfo o acciaio vetroso può essere, considerato come un liquido super-viscoso, alla pari del comune vetro. Esistono da tempo procedimenti (quali il melt spinning o l'atomizzazione), che permettono di ottenere tali strutture.

Recentemente (articolo sulla rivista Physical Review Letters del 18 giugno 2004) è stato descritto un procedimento più efficace, a lungo inseguito dai metallurgici, per ottenere acciai amorfi.

Alla base del processo, vi è l'aggiunta alla lega di opportuni elementi, quali l'ittrio, che inibiscono la nucleazione, favorendo il mantenimento dello stato amorfo. L'acciaio risultante ha una durezza e una resistenza circa doppia/tripla rispetto a quelle dei migliori acciai convenzionali.

Per trattamento termico si intende il ciclo termico di riscaldamento effettuato in predeterminate condizioni e temperature a cui devono seguire raffreddamenti, più o meno lenti, con lo scopo di fare assumere ad un metallo o ad una lega metallica (solitamente acciaio) quelle strutture cristalline che gli conferiscono determinate caratteristiche meccaniche e/o tecnologiche.

Per comprendere l'effetto dei trattamenti termici sulla struttura di una lega metallica, è necessario conoscere il diagramma di stato della lega stessa. Tale conoscenza non è tuttavia sufficiente, difatti i diagrammi di stato definiscono le strutture di equilibrio di un metallo o una lega ad una determinata temperatura. Le relative curve sono quindi ricavate applicando riscaldamenti e raffreddamenti molto lenti (tali da consentire il raggiungimento dell'equilibrio ad ogni temperatura).

Per questo motivo, un importante ruolo è svolto dalla velocità di raffreddamento o di riscaldamento della trasformazione. Tale velocità non solo influisce sulle temperature di transizione (che in genere saranno diverse da quelle ricavate dai diagrammi di stato), ma anche sulla natura stessa della struttura ottenuta, con la possibilità di ottenere costituenti metastabili (quali ad esempio la martensite negli acciai) assenti nel diagramma di stato.

Possono essere suddivisi in due grosse categorie a seconda che si abbia trasformazione di fase o meno.

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Detto anche semplicemente cementazione, è un trattamento termico che consiste nell'aumentare il contenuto di carbonio nello strato superficiale a una temperatura superiore a quella che rende il reticolo cristallino in grado di assorbire carbonio; questo permette, con la successiva tempra, di ottenere uno strato superficiale molto duro di martensite (una struttura non presente nel diagramma di equilibrio Fe-C), permettendo al pezzo di mantenere buone caratteristiche meccaniche di elasticità. Si può fare in forma solida, liquida o gassosa, ed è seguita dalla tempra del materiale. I pezzi cementati perdono però gradatamente le loro caratteristiche superficiali se sottoposti a temperature oltre i 200 °C.
La fase più lenta del processo, e quindi quella dominante, è la diffusione all'interno della matrice metallica; essa è regolata dalla seconda legge di Fick.

Come la carbocementazione, anche questo è un processo di indurimento superficiale: l'acciaio viene portato a 500 °C e investito da una corrente di ammoniaca gassosa che si dissocia in azoto e idrogeno. L'azoto viene assorbito dagli strati superficiali del metallo con cui forma nitruri, prevalentemente Fe₄N, molto duri.
Lo spessore dello strato indurito è minore di quello ottenuto per cementazione, ma in compenso la sua durezza è molto maggiore e rimane stabile fino a temperature di 600-700 °C. Esiste pure la carbonitrurazione: tale processo di indurimento è simile, ma avviene a temperature molto superiori ai 500 °C.

Il trattamento di cianurazione degli acciai consiste nel riscaldare i pezzi a una temperatura di circa 800 °C immergendoli o cospargendoli di cianuro di potassio. Si mantengono nel bagno liquido per circa 10 - 15 minuti e quindi si raffreddano rapidamente. Si applica solitamente agli acciai a basso tenore di carbonio, per aumentarne la durezza. I componenti essenziali dei bagni al cianuro consistono nel cianuro complesso di cadmio, nel cianuro di sodio o di potassio libero e nell'idrossido di sodio o di potassio. Accanto a questi costituenti si trova sempre il carbonato alcalino che si forma spontaneamente con l'anidride carbonica dell'aria.

Comunemente chiamato "cementazione al boro", è un trattamento in grado di conferire durezze superiori a 2000 HV. Il processo viene condotto a temperature prossime agli 850 °C posizionando i pezzi meccanici in cassette in acciaio inossidabile alla presenza di carburo di boro e fluoruri alcalini. Il tempo di permanenza a temperatura è direttamente proporzionale alla profondità che si vuole ottenere.

Il calmaggio è una fase del processo di produzione dell'acciaio, che consiste nella disossidazione totale o parziale del tenore di ossigeno disciolto nel bagno di acciaio liquido. Nell'acciaio liquido è presente, al termine dell'affinazione in convertitore, dell'ossigeno disciolto nel bagno metallico che combinandosi con il carbonio residuo in soluzione genera monossido di carbonio (CO) gassoso. Nel caso di acciai non calmati (cioè non disossidati) lo sviluppo di CO è particolarmente evidente e tali acciai sono detti effervescente. L'acciaio così prodotto non è facilmente deformabile. Per ridurre tale fenomeno si deve disossidare l'acciaio; allo scopo (in fase liquida, in siviera) vengono aggiunte opportune dosi di alluminio, silicio e manganese, che formano con l'ossigeno degli ossidi solidi. Si produce così acciaio calmato, semicalmato o equilibrato. L'alluminio è aggiunto sotto forma di alluminio nocelle o alluminio in filo, mentre il silicio ed il manganese comunemente come ferroleghe.

I manufatti finiti di acciaio che interessano maggiormente sono quelli laminati a caldo.

Essi si distinguono in prodotti piatti e prodotti profilati.

Del primo gruppo fanno parte:

• le lamiere: prodotto in lastre piane con bordi liberamente espansi nella laminazione. Il formato delle lastre di lamiera è generalmente rettangolare o quadrato. a seconda dello spessore si distinguono in:
  • lamiere sottilissime: spessore sotto i 0,5 mm
  • lamiere sottili: spessore sotto i 3,0 mm
  • lamiere medie: spessore da 3,0 a 4,75 mm
  • lamiere spesse: spessore oltre i 4,75 mm.
• i larghi piatti: prodotto laminato in tavole larghe. La larghezza è maggiore di 150 mm e il suo spessore minimo e di circa 5 mm.
• i nastri: prodotto laminato con bordi espansi liberamente, che immediatamente dopo la laminazione viene avvolto in un rotolo. a seconda della larghezza di distinguono:
  • nastro largo: larghezza almeno di 600 mm.
  • nastro stretto e medio: larghezza sotto i 600 mm;

I prodotti profilati si distinguono in:

• acciai profilati: prodotto finito trafilato a caldo in barre diritte la cui sezione può essere a T a doppio T a H a U a L (angolari), ecc.
• acciai in barre: prodotto finito trafilato a caldo che normalmente viene fornito in barre dritte: la sua sezione è normalmente circolare, ma può avere anche altre forme.
• fili laminati: prodotto finito laminato ed avvolto a caldo in rotoli. La sezione è normalmente circolare ma può avere anche altre forme.

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