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La struttura portante3

Gruppo I (UNI EN 10027-2)
Exquisite-kfind.png Per approfondire, vedi la voce acciaio strutturale .


Costituiscono il tipo più comune e meno costoso. Comprendono gli acciai di base e di qualità, anche detti acciai da costruzione di uso generale .

Hanno caratteristiche meccaniche inferiori rispetto agli acciai speciali . In particolare, sono adatti a resistere a sollecitazioni soprattutto statiche (come nel caso delle costruzioni civili).

Attualmente, sono di solito posti in opera mediante saldatura , da cui la necessità di un'adeguata saldabilità . Sono generalmente impiegati allo stato grezzo di laminazione (non hanno quindi bisogno di essere sottoposti a trattamento termico ), anche se in qualche caso sono sottoposti a normalizzazione .

A temperature molto basse possono perdere resilienza , diventando fragili (fenomeno della transizione duttile fragile ).

La designazione deve comprendere i seguenti simboli:

  • TA ricottura di distensione
  • TB ricottura di coalescenza
  • TC ricottura completa
  • TD normalizzazione
  • TE normalizzazione e rinvenimento di distensione
  • TF bonifica
  • TG austenizzazione.

Requisiti particolari:

  • KD acciaio adatto alla deformazione plastica a freddo
  • KQ acciaio adatto alla bordatura
  • KR acciaio adatto alla produzione di tubi saldati
  • KU acciaio adatto alla costruzione di utensili
  • KW acciaio adatto all'impiego ad alte temperature.
Gruppo II
Exquisite-kfind.png Per approfondire, vedi la voce Acciai legati .


Corrisponde agli acciai speciali , che sono acciai con caratteristiche particolari. Talvolta hanno caratteristiche meccaniche superiori , che si ottengono a seguito di un appropriato trattamento termico . Si posso dividere in 4 sottogruppi:

  • 2.1 acciai non legati (ad eccezione degli acciai per lavorazioni meccaniche ad alta velocità), con tenore medio di manganese inferiore all'1%;

La designazione deve comprendere i seguenti simboli: La lettera C, un numero corrispondente alla percentuale media di carbonio moltiplicata per 100 (ad esempio C50).

  • 2.2 acciai non legati con tenore medio di manganese maggiore all'1%; acciai non legati per lavorazioni meccaniche ad alta velocità, debolmente legati con massa ponderale di ciascun elemento inferiore al 5%;

La designazione deve comprendere i seguenti simboli: Un numero corrispondente alla percentuale media di carbonio moltiplicata per 100, i simboli degli elementi di lega se superano un limite loro caratteristico (es. Mn 0, 8-1%, Si 1%), il tenore percentuale in massa del primo elemento moltiplicato per: 4 per Ni e Cr 10 per Mo 1000 per B e arrotondato all'intero più vicino (ad esempio 36 CrNiMo7).

  • 2.3 acciai fortemente legati (se hanno almeno un elemento di lega superiore al 5%);

La designazione deve comprendere i seguenti simboli: La lettera X, un numero corrispondente alla percentuale media di carbonio moltiplicata per 100, i simboli degli elementi di lega se superano il limite loro caratteristico, le percentuali in massa degli elementi citati solo se superano il 5%, scritti in 2 numeri e separati da trattino (ad esempio X 10CrNi 18-08).

  • 2.4 acciai rapidi .

La designazione deve comprendere i seguenti simboli: Lettere HS, i numeri corrispondenti agli elementi in lega separati da trattini. I numeri corrispondono ai seguenti elementi in questo ordine: W, Mo, V, Co (Es. Hs 2-9-1-8).

Acciai di comune impiego in base alla destinazione d'uso Acciaio da bonifica

È adatto a sopportare carichi elevati, urti e soprattutto a resistere a fatica . Possiede il miglior compromesso fra resistenza meccanica e tenacità . Ha una concentrazione di carbonio compreso fra lo 0, 21% e lo 0, 60%.
Gli elementi leganti, oltre a permettere di diminuire la concentrazione di carbonio alla quale si ha la massima tenacità, hanno le seguenti funzioni:

È di solito trattato con la tempra , in acqua o in olio , e con il rinvenimento a circa 620 °C.

Esempi di acciai da bonifica: C40 , 39NiCrMo3 , 34NiCrMo16 , 42CrMo4 , 36CrMn5 .

Acciaio da nitrurazione

Sono di solito acciai dolci o da bonifica con la presenza di alluminio o altri elementi leganti che possano formare nitruri come ad esempio il nichel , cromo , molibdeno . Lo strato nitrurato di spessore 0, 2-0, 3 mm è ottenuto con un processo di precipitazione dell'azoto. Si ottiene mediante il trattamento in vasche a 525 °C in presenza di ammoniaca, per una durata di circa 50 ore.

Acciaio autotemprante

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.
Acciaio da cementazione

Per eseguire la carbocementazione conviene adoperare un acciaio con bassa percentuale di carbonio , non superiore allo 0, 20%, in modo da velocizzare 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 :

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

Acciaio per molle

Proprietà richieste sono:

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.

Acciaio per cuscinetti a rotolamento
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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 il 100Cr6.

Acciaio inossidabile
Salsiera in acciaio inossidabile.

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 (CrO 2 ) 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).

Exquisite-kfind.png Per approfondire, vedi la voce acciaio inossidabile .


Acciaio per utensili

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.

Acciaio rapido

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).

Acciaio per lavorazioni a caldo

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.

Acciaio per lavorazioni a freddo

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.

Acciaio amorfo (vetri metallici)

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.

Trattamenti termici
Exquisite-kfind.png Per approfondire, vedi la voce Trattamenti termici degli acciai .


I trattamenti termici degli acciai sono delle modificazioni a caldo della struttura molecolare di tali leghe che conferiscono diverse caratteristiche meccaniche agli stessi.
Possono essere suddivisi in due grosse categorie a seconda che si abbia trasformazione di fase o meno.

Trattamenti superficiali Carbocementazione
Exquisite-kfind.png Per approfondire, vedi la voce carbocementazione .


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 .

Nitrurazione
Exquisite-kfind.png Per approfondire, vedi la voce nitrurazione .


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 Fe 4 N, 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.

Cianurazione

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 solitamente applica 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.

Borurazione

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.

Calmaggio

Il calmaggio è una fase del processo di produzione dell'acciaio, che avviene dopo la decarburazione nel convertitore ad ossigeno. Nell'acciaio può essere presente dell' ossigeno residuo, in soluzione sotto forma di monossido di carbonio (CO): l'acciaio è detto effervescente . L'acciaio così prodotto non è facilmente deformabile. Per ridurre tale fenomeno si può (in fase liquida, in siviera ) aggiungere piccole dosi di alluminio e silicio , che formano con l' ossigeno degli ossidi solidi. Si produce così acciaio calmato , semicalmato o equilibrato .

Il mercato dell'acciaio

L'acciaio è quotato nelle maggiori Borse del mondo. Attualmente, la scalata di Mittal, il colosso siderurgico indiano, su Arcelor, ha creato il primo gruppo mondiale dell'acciaio (la Arcelor Mittal , con una quota di mercato intorno al 10%).

Ad oggi non esiste una Borsa dell'acciaio in cui vengano quotati i prodotti siderurgici. Sono tuttavia allo studio dei progetti finalizzati a crearne una per poter consentire alle aziende l'utilizzo di strumenti derivati di copertura.

Classificazione dei prodotti siderurgici
Exquisite-kfind.png Per approfondire, vedi la voce acciaio strutturale .


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 stretto e medio: larghezza sotto i 600 mm;
    • nastro largo: larghezza almeno di 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.
Note
  • ^ //www.diegm.uniud.it/fmiani/TESI%20DI%20LAUREA/Michele%20Candido/dispense%20units/FerroCarbonio.pdf
  • ^ Carpenteria metallica: flange o anelli calandrati Carpenteria meccanica Carpenteria e acciaio · carpenteria e lavorazioni meccaniche
  • ^ produzione 2008 : 1.329, 7 milioni di tonnellate - [www.worldsteel.org]
  • ^ a b c AA.VV. Scienza. Enciclopedia tecnica e scientifica, Fratelli Fabbri Editori, Milano, 1966, voll. II, III, IV , V pp. 410-414, 466-471, 533-538, 925-929, 1054-1059, 1236-1241, 1320-1324, 1513-1517
  • ^ Il Cowper è un tipo di scambiatore di calore rigenerativo, in cui una corrente viene scaldata grazie al calore che viene prima ceduto da un fluido caldo alle pareti e poi ceduto dalle pareti ad un fluido che viene fatto passare successivamente nell' apparecchiatura .
  • ^ AA.VV., Scienza. Enciclopedia tecnica e scientifica, op. cit., vol. III, p. 929
  • ^ Viene detta "laminazione primaria" perché è la prima che subisce il materiale.
  • Bibliografia [ modifica ]
    • AA.VV. Scienza. Enciclopedia tecnica e scientifica , Fratelli Fabbri Editori , Milano, 1966, voll. II, III, IV , V pp. 410-414, 466-471, 533-538, 869-873, 925-929, 1054-1059, 1236-1241, 1320-1324, 1513-1517.
    Voci correlate