Gourt Home::Gourt :: Acciaio
Acciaio è il nome dato ad una lega di ferro contenente carbonio in percentuale non superiore al 2,11%. Oltre tale limite le proprietà del materiale cambiano e la lega assume la denominazione di ghisa. Nell'acciaio oltre al carbonio, possono essere presenti degli ulteriori elementi alliganti (acciai legati). Nell'acciaio il carbonio si presenta usualmente sotto forma di cementite (carburo di ferro). Le particelle di cementite presenti nella microstruttura dell'acciaio, in determinate condizioni, bloccano gli scorrimenti delle dislocazioni, conferendo all'acciaio caratteristiche meccaniche migliori di quelle del ferro puro. Gli acciai sono leghe sempre plastiche a caldo, cioè fucinabili, a differenza delle ghise.
L'importanza dell'acciaio è enorme, i suoi usi sono innumerevoli, come anche le varietà in cui viene prodotto: senza la disponibilità di acciaio in quantità e a basso costo, la rivoluzione industriale non sarebbe stata possibile. Attualmente nel mondo si producono ogni anno circa 500 milioni di tonnellate di acciaio, successivamente lavorato tramite diversi processi di produzione industriale, quali ad esempio la fusione, la forgiatura o lo stampaggio.
Storia della siderurgia (ferro, acciaio e ghisa)
La scoperta del ferro è avvenuta in molti luoghi indipendentemente, e non si può dire che ci sia stato un singolo scopritore. Spesso le stesse tecniche sono state elaborate (e a volte perdute) in luoghi diversi e in tempi diversi, dando origine a leggende e miti.
Definizioni:
- Ferro battuto o ferro dolce (acciaio con scarso contenuto di carbonio, insensibile alla tempra).
- Acciaio (lega ferro carbonio, con contenuto ponderale di carbonio inferiore al 2,11%).
- Ghisa (lega ferro carbonio, con contenuto ponderale di carbonio superiore 2,11%.).
Tecniche storiche per la produzione dell'acciaio
Il ferro battuto
Questo era un procedimento per la sintesi diretta del ferro, a partire dai suoi minerali.Mettendo in forni a cupola del minerale di ferro assieme a carbone di legna ed insufflando aria per alcune ore, si otteneva della spugna di ferro (o blumo). Questa veniva quindi battuta fino ad eliminare la scorie contenute ottenendo il cosidetto "ferro battuto".
Il ferro così ottenuto contiene poco carbonio (v. ferro dolce) e risulta quindi impossibile da temprare, rispetto all'acciaio propriamente detto.
Acciaio a pacchetto
Spesso, ma impropriamente, prende il nome di "lavorazione a Damasco" così come l'acciaio prodotto viene impropriamente chiamato "Acciaio di Damasco".Consiste nel creare un pacchetto di strati alternati di ferro dolce e ghisa, fatti rammollire e poi martellati insieme per saldarli e far diffondere il carbonio dalla ghisa al ferro dolce, in modo da ottenere la percentuale di carbonio desiderata. Una volta saldati gli strati del pacchetto, si taglia la barra e la si piega su sé stessa, ripetendo il processo: in questo modo si possono creare barre estremamente resistenti composte di centinaia o migliaia di strati sottilissimi. È un processo la cui riuscita dipende moltissimo dalla capacità e dall'esperienza del fabbro: è molto difficile ottenere due volte lo stesso risultato con questo metodo in quanto la lunghezza della lavorazione alla forgia, la sua complessità, così come il calore a cui viene riscaldato il pezzo in lavorazione, influenzano il tenore in carbonio dell'acciaio e le caratteristiche meccaniche del pezzo finito.
È un processo molto lento, ed è anche molto costoso: per un Kg di acciaio sono necessari circa 100Kg di combustibile. Inoltre è impossibile ottenere con questo metodo pezzi molto grandi o di forma complessa.
Questo processo è ancora oggi utilizzato per la produzione artigianale di coltelleria e repliche di armi bianche storiche di alta qualità.
Acciaio al crogiolo (pudellaggio)
Tecnica consistente nel mettere in un crogiolo minerale di ferro o ferro, e aggiungervi una determinata quantità di carbonio sottoforma di ghisa o carbone. Fondendo il tutto è possibile ottenere acciaio.Medio Oriente ed Europa (preistoria ed antichità)
Le prime prove di uso del ferro vengono dai Sumeri e dagli Egiziani, che già 4000 anni prima di Cristo lo usavano per piccoli oggetti come punte di lancia e gioielli ricavati dal ferro recuperato da meteoriti. Poiché i meteoriti cadono dal cielo, alcuni linguisti hanno ipotizzato che la parola inglese iron (ferro), copiata in molte altre lingue dell'Europa nordoccidentale, derivi dall'etrusco aisar, che significa "gli dei".Dal 2000 al 3000 avanti Cristo si ritrovano sempre più oggetti di ferro battuto (distinguibili dagli oggetti in ferro meteorico per la mancanza di nichel nella lega) in Mesopotamia, Anatolia ed Egitto. Però il loro uso sembra essere soltanto cerimoniale, e il ferro era un metallo costoso, anche più dell'oro. Nell'iliade la maggior parte delle armi e delle armature sono di bronzo, e i lingotti di ferro sono usati per commerciare.
Alcune fonti ipotizzano che il ferro fu inizialmente ottenuto come sottoprodotto della raffinazione del rame. Benché il suo uso fosse in aumento nel Medio Oriente tra il XVI secolo AC ed il XII secolo AC, ancora non soppiantò il bronzo come materiale principale.
Sempre nel Medio Oriente, nel periodo tra il XII secolo AC ed il X secolo AC vi fu una rapida transizione verso utensili ed armi in ferro. Sembra che all'origine di questa transizione non vi sia un improvviso miglioramento della tecnologia della lavorazione del ferro, quanto una improvvisa scomparsa delle fonti di approvvigionamento di stagno. Questa transizione, avvenuta in diverse epoche nelle diverse regioni del pianeta, segna l'inizio dello stadio di civilizzazione noto come "età del ferro". In particolare nell'Asia Minore i regni ittiti all'interno dell'Anatolia si trovarono tagliati fuori dal commercio dello stagno: per tale motivo la tribu dei calibi sviluppò la tecnica di carburazione del ferro con carbonella per sostituire il bronzo. Verso il XIII secolo AC si sviluppò nei balcani una cultura cittadina degli illiri, che si accaparrò tutto lo stagno proveniente dalle miniere della Boemia bloccando il rifornimento di questo metallo nel mare Egeo. Questo provoco una grave crisi economica che provocò le invasioni in Egitto dei popoli del mare e la guerra di Troia, ed infine l'avvento dell'età del ferro nel mediterraneo.
La carbocementazione
Contestualmente alla transizione dal bronzo nel Medio Oriente si scoprì anche la carbocementazione, ovvero il processo per arricchire superficialmente di carbonio il ferro dolce (ferro battuto). Un ferro più duro poteva essere ottenuto lasciando dapprima l'oggetto in ferro battuto su un letto di carbone e quindi temprandolo in un bagno di olio o di acqua. Il manufatto risultava avere così una superficie di acciaio, più dura e resistente rispetto al bronzo.Acciaio a pacchetto
Il processo è noto in Europa fin dalla tarda epoca dei Celti (dopo che l'uso dei perfezionati bassoforni greci si era diffuso nell'Europa Occidentale) dei quali sono rimaste alcune spade che mostrano una stratificazione di questo genere (per quanto limitata a poche decine di strati), alla fine dell'età romana era sicuramente noto ai barbari di stirpe germanica, ed è stato per secoli l'unico modo noto, al di fuori dell'India, per ottenere acciaio di buona qualità.Cina
Anche in Cina il primo ferro usato fu di origine meteorica. Manufatti in ferro battuto compaiono in siti archeologici datati attorno all'VIII secolo AC nel nord-ovest, vicino a Xinjiang. Questi pezzi risultano essere fabbricati con le stesse tecniche in uso nel Medio Oriente ed in Europa e si suppone che fossero stati importati nella zona.La produzione di acciaio, benché presente, soprattutto per la produzione di armi, era limitata. Negli ultimi anni della dinastia Zhou (attorno all'anno 550 AC), nello stato meridionale di Wu si sviluppò un'avanzata tecnologia basata su altoforni in grado di produrre ghisa in grandi quantità.
Il materiale prodotto era la ghisa, che veniva colata come tale in stampi, o decarburata, fino allo stato di ferro dolce per essere lavorata più facilmente. Scaldando minerali di ferro con carbone a 1200-1300°C si forma ghisa liquida, che è una lega di ferro al 96,5% e carbonio al 3,5%. Questa lega è resistente e può essere foggiata in forme intricate, ma è troppo fragile per essere lavorata, a meno che non venga de-carburizzata per rimuovere la maggior parte del carbonio. Dalla dinastia Zhou in poi la produzione cinese fu principalmente di ghisa.
Nello stesso periodo, pressochè contemporaneamente all'Europa o appena più tardi, venne iniziata la produzione di acciaio "a pacchetto" per la costruzione di armi. Armi di ferro, di ghisa e di acciaio omogeneo, variamente combinate, sono state trovate nelle stesse sepolture, segno che l'uso dell'acciaio non aveva raggiunto una chiara prevalenza nemmeno per la produzione bellica, durante la dinastia Han (202AC–220DC). Il ferro rimase un prodotto poco pregiato, usato dai contadini per secoli e non interessò le classi nobiliari fino alla dinastia Qin, attorno all'anno 220 AC. La produzione di acciaio (o, più propriamente, di ghisa) raggiunse livelli ineguagliati in Europa fino al XVIII secolo. Vennero costruiti veri e propri altoforni in grado di produrre diverse tonnellate di metallo al giorno e venne scoperta la tecnica del pudellaggio per decarburare la ghisa in ferro.
India - acciaio wootz
Il primo metodo per produrre acciaio propriamente detto è stato il sistema "Wootz", simile al moderno sistema a crogiolo, usato in India almeno dal 300 dopo Cristo (ma alcuni lo fanno risalire al 200 a.C.); il suo nome è la versione anglicizzata del nome indù dell'acciaio (urukku). Veniva preparato in crogioli chiusi sigillati, che contenevano minerale di ferro, carbone e vetro. I crogioli venivano poi messi alla fiamma e riscaldati: il ferro fondeva, arricchendosi di carbonio, e il vetro assorbiva le impurità man mano che fondeva, galleggiando sulla superficie. Il risultato era un acciaio ad alto tenore di carbonio e di elevata purezza. Questa tecnica si diffuse molto lentamente, arrivando nei paesi confinanti (gli odierni Turkmenistan e Uzbekistan) solo nel 900 D.C. circa. La tecnica indiana mise molto tempo ad arrivare in Europa, dove divenne nota solo a partire dal XVII secolo: ma nessuno qui seppe ripetere la manifattura dell'acciaio wootz per un altro secolo.Spade da samurai (acciaio a pacchetto)
In Giappone si creò un'intera mistica intorno alla fabbricazione dell'acciaio usato per le spade da samurai, e i costruttori di spade erano gelosi custodi delle loro tecniche segrete, che, attraverso una lunghissima e delicata lavorazione portavano, pur partendo da metallo ottenuto in bassoforni meno efficienti dei forni contemporaneamente in uso sia in Europa che in Cina, ad ottenere gli acciai migliori del mondo. Nessun altro tipo di acciaio, fino alla metà del XX secolo, poté competere in prestazioni con l'acciaio delle spade da samurai. La tecnica era (ed è ancora) simile a quella utilizzata per l'acciaio a pacchetto, ma con alcune differenze sostanziali: la lama veniva realizzata dividendo la battitura a strati prima su una parte interna di acciaio più morbido che in seguito veniva inserita in una sorta di "involucro" di acciaio più duro e resistente. La katana assumeva in tal modo, dopo la forgiatura, la tempra e la pulizia, un'affilatura degna della leggenda che ne è seguita, ma anche una certa fragilità, dovuta sia alla durezza del materiale impiegato che all'angolo di affilatura molto acuto
Medio Oriente - Acciaio Damasco
Poco dopo l'anno mille, la tecnica indiana del Wootz arriva in Medio Oriente, che fino ad allora aveva importato acciaio a pacchetto dall'Europa, dove viene ulteriormente raffinata e dà origine all'acciaio damasco, estremamente resistente e flessibile, con cui furono forgiate le spade che affrontarono i crociati europei: la qualità di quelle armi era tanto alta che l'acciaio Damasco divenne mitico in Europa, e nacquero voci sulle sue proprietà straordinarie: si diceva che una spada fatta di acciaio Damasco potesse tagliare la roccia, e venire arrotolata attorno ad un uomo per poi tornare dritta come prima, e non perdesse mai il filo.
Con ogni probabilità la tecnica del Wootz venne raffinata in modo da far assorbire il carbonio soprattutto ai bordi della spada, mantenendo la sua anima centrale relativamente dolce. In questo modo si otteneva una spada flessibile e che sopportava gli urti senza rompersi, ma al tempo stesso dalla lama molto dura e mantenente un filo tagliente per molto tempo (cosa che in Europa, fino al X secolo, era ottenuta montando a parte i due fili d'acciaio molto duro sulla lama, già ripiegata più volte e lavorata fino alla forma definitiva). Le variazioni nel tenore di carbonio fra il filo e il centro della spada creavano in superficie un bel disegno ondulato, dal cui l'aggettivo damascato.
Purtroppo dopo il 1300 non si hanno più notizie di manufatti creati con questa tecnica e non sono pervenuti documenti o testimonianze sul modo di ottenere l'acciaio Damasco: semplicemente la tecnica originale dell'acciaio Damasco si è perduta. Per un certo periodo si ritenne che l'acciaio Damasco non fosse altro che un tipo di acciaio a pacchetto, che in certe condizioni può esibire delle venature superficiali, ma un confronto con i manufatti in acciaio Damasco superstiti evidenziano differenze sostanziali, sebbene a volte anche l'acciaio Damasco mostri tracce di pacchettatura.
Europa
Sviluppo della produzione di ghisa in Europa
Lo sviluppo della ghisa (nota fin dall'antichità) iniziò in Europa in relativo ritardo, dato che le locali fonderie non riuscivano a lavorare stabilmente a temperature superiori ai 750°C. Per buona parte del medioevo nell'Europa occidentale il ferro era prodotto per battitura delle spugne ottenute nei bassiforni. Due dei più vecchi siti dedicati alla produzione della ghisa mediante forni a torre sono stati trovati in Svezia, a Lapphyttan e Vinarhyttan, datati tra il 1150 ed il 1350. Fino ad allora la ghisa era un sottoprodotto indesiderato della produzione del ferro e dell'acciaio in bassoforni particolarmente efficienti, buona al massimo per essere usata, in quantità limitate, insieme al ferro dolce, per produrre acciai "a pacchetto". Nelle montagne sopra Bienno, in Val Camonica, ad es., è stato ritrovato un forno con massello di "ferraccio" (cioè ghisa così chiamata per le scarsissime qualità meccaniche e la difficile lavorabilità) databile al 700 d.C. circa, segno dei buoni progressi tecnici dei forni, in grado di superare i 900°C e di avvicinarsi ai 1200°C. In ogni caso, al termine del XIV secolo iniziò a crearsi un mercato per la ghisa, la cui domanda era cresciuta spinta dalla necessità di produrre cannoni e palle da cannone, ed essa cominciò ad essere prodotta in diverse parti d'Europa in forni a torre che usavano il carbone di legna come agente riducente.Acciai a pacchetto
In Europa la principale tecnica utilizzata fino al X secolo fu quella dell'acciaio a pacchetto, che consentiva di controllare più agevolmente il tenore di carbonio del metallo rispetto a quanto si poteva fare usando l'acciaio omogeneo che pure veniva prodotto, in quantità limitate, dai bassoforni alto-medioevali. Per secoli, l'unico modo di ottenere del buon acciaio in Europa fu, quindi, quello di usare: ferro delle miniere svedesi, particolarmente puro e privo di zolfo e fosforo, "ferro di palude" (limonite), siderite di origine alpina, o ematite dell'Isola d'Elba ed usarlo per confezionare acciaio a pacchetto con ghisa più ricca di carbonio. Era un processo molto lento ed estremamente costoso per un Kg di acciaio sono necessari circa 100Kg di combustibile. Per questo non si potevano creare pezzi molto grandi: al massimo grandi come la lama di una spada. In genere si usava l'acciaio per oggetti piccoli, come punte di freccia, bisturi, coltelli ed altri oggetti di piccole dimensioni.Per questo motivo, durante il basso Medioevo in Europa, all'incirca a partire dal IX secolo, con l'aumentata disponibilità di acciaio omogeneo, che riduceva i tempi di lavorazione, la tecnica dell'acciaio a pacchetto fu progressivamente abbandonata, portando ad un generale scadimento della qualità delle lame europee del periodo. Dal XI secolo al XVI secolo la tecnica cadde completamente in disuso. Venne riscoperta con il Rinascimento, data la maggiore richiesta di lame di qualità superiore e peso inferiore, e in quel periodo molti si convinsero che il mitico acciaio Damasco, di cui i crociati raccontavano meraviglie, non fosse altro che un tipo di acciaio a pacchetto: ma le analisi delle nervature visibili nei due tipi di acciaio ha reso evidente che non è così.
Forgia catalana
Attorno al IX secolo si diffuse in Europa, dalla penisola iberica, la cosiddetta "forgia catalana", probabilmente di derivazione araba, e capace di produrre cariche di oltre 100 Kg per volta di metallo lavorabile (tra ferro, acciaio e ghisa, prodotti contemporaneamente) in luogo dei 15-17 Kg ottenibili con le primitive fornaci ad affioramento greco-romane, ancora usate nell'alto medioevo. Grazie a questa innovazione, anche la quantità di acciaio lavorabile in una volta sola aumentò; questo, unitamente all'apparizione dei primi, economici, metodi di cementazione del ferro (che permettevano di ottenere strumenti di ferro con uno strato superficiale di acciaio) portò alla scomparsa del metodo di lavorazione a pacchetto.Altoforno
Nei secoli successivi, un progressivo lavoro di affinamento, compiuto in diverse parti d'Europa, dei metodi di costruzione dei forni, portò alla realizzazione dei primi forni "a torre" (antenati dei moderni altoforni) in varie forme. I cosiddetti "Stuckofen", forni "alla norvegiana", e forni "alla bresciana" non necessitavano di essere distrutti per prelevare la spugna metallica alla fine della combustione, lavoravano a getto continuo, con molta maggiore efficienza nell'utilizzo del carbone, e potevano produrre fino a 1300-1500 kg di ghisa al giorno consumando 3000-3200 kg di carbone di legna. Il materiale prodotto da questi forni era però, come detto, la ghisa, ottima per essere colata in stampi, ma dalle scarse qualità meccaniche e che, con le tecniche dell'epoca, solo in piccole quantità poteva essere decarburata per ottenere acciaio lavorabile. Per questo motivo le forge catalane rimasero in uso in Europa e nel Nord America fino alla fine del XVIII secolo.Acciaio Bulat
Fu inventato da Pavel Petrovich Anosov, dopo anni di studi sulla perduta arte dell'acciaio Damasco di cui Anosov voleva riscoprire il segreto. Alla fine le sue ricerche lo portarono ad un risultato che, anche se non era l'acciaio Damasco, senz'altro permetteva di ottenere un materiale di qualità superiore. In pratica l'acciaio Bulat (dalla parola persiana pulad, acciaio) era un acciaio stratificato, ottenuto raffreddando molto lentamente la massa fusa e dando il tempo al carbonio di concentrarsi in strati diversi: in questo modo il metallo finale consisteva di molti strati di ferrite (acciaio dolce) e cementite (acciaio duro).La cementite però è instabile a temperature fra 600ºC e 1100ºC e tende a scomporsi in ferrite e carbonio, e quindi la lavorazione a caldo di questo tipo di acciaio era molto delicata, perché poteva perdere le sue caratteristiche. Come l'acciaio al crogiolo, anche il processo Bulat venne soppiantato dal convertitore Bessemer, che produceva acciaio altrettanto buono ma più economico.
Pudellaggio e coke
Nel 1740 Benjamin Huntsman, a Sheffield, riscoperse la tecnica dell'acciaio al crogiolo: dopo anni di esperimenti in segreto, mise a punto una fornace in grado di raggiungere i 1600ºC in cui metteva una dozzina di crogioli di argilla, ciascuno con 15 kg di ferro, che veniva portato lentamente al calor bianco: a questo punto si aggiungevano pezzi di ghisa, i quali, lasciati fondere, aggiungevano al materiale il carbonio necessario; dopo tre ore circa l'acciaio veniva colato in lingotti.Fu una rivoluzione: nel 1740 Sheffield produceva circa 200 tonnellate di acciaio all'anno; un secolo dopo ne produceva 80.000, la metà di tutta la produzione europea, ed era la più grande città industriale d'Europa. Successivamente fu scoperto il carbon coke. "Cucinando" il carbone (scaldandolo in assenza di ossigeno si otteneva carbone "cooked" o coke). Il coke venne utlizzato negli altoforni al posto del carbone di legna, permettendo di incrementare la produzione di ghisa grezza.
Questo modo di produrre l'acciaio restò il migliore fino all'arrivo del convertitore Bessemer, che permetteva di ottenere acciaio di pari qualità ad una frazione del costo.
Invenzione del convertitore
Il convertitore Bessemer sostituì il metodo del pudellaggio (acciaio al crogiolo), lungo e dispendioso, per ottenere acciaio direttamente dalla ghisa, bruciando il carbonio in eccesso.Convertitore Bessemer
Convertitore Bessemer - Thomas
Convertitore Martin - Siemens
Acciaio inossidabile
Nel 1913 viene poi scoperto l'acciaio inossidabile, scoperta che diede vita alla più importante famiglia di acciai attualmente noti.Convertitori a ossigeno
Nel secondo dopoguerra il convertitore Bessemer fu sostiutito dai più efficienti convertitori a ossigenoClassificazione degli acciai
Esistono moltissimi tipi di acciaio, le cui composizione è stabilita da appositi norme techniche (ISO ed AISI- American Iron and Steel Institute)).
Si possono classificare in due gruppi:
1. acciai da costruzione
2. acciai speciali.
A loro volta suddivisi in quattro sottogruppi:
- acciai al carbonio;
- acciai basso legati, con meno del 5% di elementi di lega;
- acciai fortemente legati (con almeno un elemento di lega superiore al 5%).
- acciai rapidi e superrapidi
Acciai da costruzione
Sono il tipo più comune e meno costoso. Hanno caratteristiche meccaniche inferiori rispetto agli acciai speciali. Sono adatti a essere posti in opera mediante saldatura. A temperature molto basse possono diventare fragili.Acciai speciali
Sono acciai con caratteristiche meccaniche superiori, che si ottengono a seguito di un appropriato trattamento termico Si dividono in 4 categorie:1) acciai non legati (al carbonio)
2) acciai legati
3) acciai fortemente legati
4) acciai rapidi
Acciaio rapido
É la più importante tipologia di acciaio utilizzato nella costruzione di utensili per la veloce lavorazione del metallo. Se ne può fare la seguente schematizzazione:- super rapido, riconoscibile dalla presenza del cobalto e adatto ad alte velocità di taglio (vt = 40 m/min su materiale con Rm = 500 MPa) ma non ad utensili sottoposti ad urti (ad esempio: barrette, placchette, frese...);
- rapido, 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 (vt = 15 m/min su materiale con Rm = 500 MPa).
Influenza degli elementi alliganti negli acciai legati
Acciaio al manganese
Il manganese aumenta la penetrazione della tempra negli acciai ma diminuisce la resilienza rendondoli più fragili se non si usano opportune precauzioni durante il trattamento termico di rinvenimento. Il manganese aumenta in generale la durezza e la resistenza all'usura. Gli acciai al manganese sono spesso usati per particolari di grosse dimensioni, dove sono richieste elevate caratteristiche meccaniche anche in zone molto profonde del pezzo.Acciaio al molibdeno
Il molibdeno aumenta la penetrazione degli effetti della tempra negli acciai e mantiene le caratteristiche meccaniche della tempra anche a temperature elevate.Acciaio al nichel-cromo-molibdeno
Gli acciai al nichel-cromo-molibdeno sono i migliori in assoluto per le caratteristiche meccaniche (carico di rottura = Rm = 1200 N/mm²). Sono usati per alberi a manovella, ingranaggi, bielle, parti di motori a scoppio, fucili.Acciaio al cromo
Il cromo aumenta la durezza e il limite di elasticità dell'acciaio. In quantità maggiori del 10% il cromo rende l'acciao inossidabile e resistente agli agenti chimici. Gli acciai al cromo sono usati per cuscinetti, valvole di motore a scoppio, parti di impianti termici e chimici.Acciaio al nichel
L'effetto primario del nichel come legante è la forte variazione del coefficiente di dilatazione termica: l'acciaio al nichel più comune ha un tenore di nichel del 36% ed è noto anche come acciaio INVAR, perché ha un coefficiente di dilatazione termica estremamente ridotto. Si produce anche un altro tipo di acciaio con il 20% di nichel, che invece ha la proprietà di avere un coefficiente di dilatazione termica estremamente elevato, per accoppiarlo con l'INVAR e produrre delle lamine bimetalliche che si incurvano moltissimo al variare della temperatura e sono usate per esempio negli interruttori elettrici di sicurezza.Acciaio al silicio
È un acciaio dolce a basso tenore di carbonio, con circa l'1% di silicio: molto duro, ha una notevole resistenza alla fatica e un limite di snervamento molto elevato; si usa quindi per molle e lamelle flessibili e per stampi da conio. È difficilmente saldabile e molto poco malleabile, ma prende molto bene la tempra; difficile anche da zincare o da cromare.Inoltre l'aggiunta di silicio aumenta moltissimo la resistenza elettrica e la permeabilità magnetica del materiale, il che lo rende ottimo per la costruzione di circuiti magnetici di trasformatori e di macchine elettriche rotanti. È commercializzato sotto forma di lamierini laminati a freddo e ricotti per orientare i grani microscopici che formano i domini magnetici. Per questi usi si aumenta il tenore di silicio al 3-4%, ottenendo il cosiddetto acciaio magnetico.
Acciaio al titanio
Acciaio al tungsteno
Aggiungendo del tungsteno all'acciaio si ottiene una lega estremamente dura e resistente al calore, con ottima temprabilità, che viene usata principalmente per costruire utensili; a seconda del tenore di tungsteno si distinguono due tipi di acciai:l'acciaio rapido con lo 0,5-1,3% di carbonio, il 14-26% di tungsteno e il 3-7% di cromo: non perde la tempra fino al calor rosso (600ºC) e quindi consente elevate velocità di taglio; fra gli acciai per utensili è il più alto-legato;
l'acciaio autotemprante con tenore di carbonio dell'1-2% e di tungsteno dal 5% al 7%: questo tipo di acciaio prende il suo nome dal fatto che la sua velocità critica di tempra (velocità di raffreddamento) è così bassa che può temprarsi in aria dopo il riscaldamento in campo austenitico.
Acciaio al vanadio
Il vanadio, insieme al tungsteno, conferisce agli acciai estrema durezza anche a temperature elevate. Si distinguono gli acciai al vanadio-tungsteno, detti acciai rapidi, e gli acciai al vanadio-tungsteno-cobalto, detti acciai super-rapidi, per le superiori velocità di taglio che questi ultimi possono sopportare. Vengono usati per costruire utensili da tornio, fresa, trapano.Tipi di acciaio
Acciai inossidabili austenitici
Sono acciai contenenti Ni e Cr in percentuali tali da conservare la struttura austenitica anche a temperatura ambiente. Sono classificati in base alla percentuale di Ni e di Cr (vedi tabella), nella classificazione ASTM sono la serie 3XX.
| % Cr | % Ni | ASTM | UNI | |
| 18 | 8 | 304, 316 | X8CN1910, X3CN1911 | |
| 18 | 10 | 321, 347, 348 | X8CNT1810,X8CNNb1811 | |
| 18 | 13 | 317 | X8CND1712 | |
| 23 | 12 | 309 | ||
| 25 | 20 | 310 | X8CN2520 |
Dato che l'austenite è paramagnetica, questi acciai possono essere facilmente riconosciuti disponendo di magneti permanenti calibrati. Il fatto di avere struttura austenitica (cfc) rende questi acciai immuni dalla transizione duttile-fragile (che si manifesta invece con la struttura ferritica, ccc), quindi conservano la loro tenacità fino a temperature criogeniche (He liquido). La dimensione dei grani, sensibilmente più elevata di quella degli acciai ferritici da costruzione, li rende resitenti allo scorrimento viscoso, quindi, fra gli acciai per costruzione di recipienti a pressione, sono quelli che possono essere utilizzati alle temperature più elevate (600°C). La loro resistenza a gran parte degli aggressivi chimici li rende inoltre molto apprezzati nell'industria chimica. Ovviamente, considerando la notevole percentuale di componenti pregiati (Ni, Cr, Ti, Nb, Ta), sono fra i più costosi degli acciai di uso comune.
L'unico trattamento termico consigliabile per questa classe di acciai è un trattamento di solubilizzazione del C a 1050°C, con raffreddamento rapido (per evitare la permanenza nell'area fra 800 e 400°C, dove può avvenire la precipitazione dei carburi di Cr).
Acciaio inossidabile martensitico
Esso ha caratteristiche meccaniche molto elevate. É conosciuto soprattutto con la nomenclatura americana, per esempio l'acciaio al solo cromo è l'AISI serie 400 (da ricordare AISI 410 e 420, con 0,20% < C < 0,40% e Cr = 13% circa; AISI 440 con C = 1% circa e Cr = 17%); nella nomenclatura UNI ha sigle come X20Cr13, X30Cr13, X40Cr14.Può essere aggiunto zolfo se si necessita di truciolabilità (a scapito comunque delle caratteristiche meccaniche).
L'acciaio inossidabile martensitico è autotemprante, ma dalla temperatura di laminazione alla temperatura ambiente nasce una struttura troppo tensionata; si segue sempre quindi la procedura:
- ricottura di lavorabilità: essa è svolta col metodo isotermico solo quando si voglia la durezza minima; altrimenti si raffredda a velocità costante, scegliendola in base alla durezza che si vuole ottenere (vedi curve CCT);
- tempra a T di circa 1000°C e per un tempo sufficiente a sciogliere i carburi di cromo;
- rinvenimento a temperature diverse a seconda che si voglia privilegiare la durezza, la resistenza alla corrosione o la tenacità.
Acciaio automatico
Detti anche acciai al piombo. Sono acciai dolci per usi generici, con piccole quantità di piombo, bismuto, tellurio o zolfo; la loro caratteristica più importante è la truciolabilità e la ottima lavorabilità con macchine utensili.Nanoacciaio
Come già detto all'inizio, nell'acciaio (specie negli acciai duri) sono presenti dei microcristalli di carbonio dispersi nel ferro, che conferiscono alla lega Fe-C le sue caratteristiche strutturali. Tuttavia recenti ricerche nel campo delle nanotecnologie hanno introdotto una nuova possibilità in questo campo: potendo controllare le dimensioni delle microparticelle di carbonio, e in particolare riducendone le dimensioni a scala nanometrica (nanocristalli), l'acciaio ricavato mantiene quasi intatte le sue caratteristiche di resistenza meccanica anche a temperature di circa 900ºC, molto al di sopra dei normali acciai.Acciaio amorfo
Normalmente l'acciaio ha una struttura cristallina; tuttavia recentissimamente (articolo sulla rivista Physical review letters del 18 giugno 2004) è stato descritto un procedimento, a lungo inseguito dai metallurgici, che permette di ottenere un acciaio con struttura atomica disordinata, per l'appunto amorfa: questo tipo di materiale (detto acciaio amorfo o acciaio vetroso) è praticamente un liquido solidificato, come il vetro, per l'appunto. Il segreto di questo risultato sta nell'aggiunta alla lega di elementi che favoriscono la fase liquida, come l'ittrio: l'acciaio risultante dopo la solidificazione ha una durezza e una resistenza circa doppie/tripla rispetto a quelle dei migliori acciai convenzionali.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 superrapidi.
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 per lavorazioni a freddo
L'elevata durezza è solitamente dovuta all'alto tenore di carbonio; altre proprietà, quali tenacità e resistenza all'usura, sono raggiunte con altri 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.
Acciaio per molle
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).
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.
Si esegue sempre il rinvenimento a 450°C così che i carburi precipitino ma non inizino a coalescere.
Trattamenti termici
Ricottura
Processo utile ad annullare gli effetti di qualsiasi trattamento effettuato in precedenza, con l'eleminazione nell'ordine di1) tensioni residue e incrudimento
2) alterazioni della microstruttura
3) segregazioni
Normalizzazione
Particolare tipo di ricottura, con la quale si ottiene un'affinazione della grana cristallina, per migliorare le caratteristiche meccaniche finali di un pezzo. Il riscaldamento avviene in campo austenitico, seguito da un raffreddamento in aria calma.Tempra
Si porta l'acciaio ad una temperatura di 50°C superiore ad A3(temperatura alla quale avviene la completa trasformazione in austenite), poi si raffredda rapidamente per ottenere Martensite.Rinvenimento
Trattamento termico consistente in uno riscaldamento seguito da raffreddamento a velocità controllata, cui possono venire sottoposti acciai e leghe leggere per ridurre la fragilità conseguente alla tempra a scapito però di parte della durezza. Il rinvenimento è suddiviso in diversi stadi a seconda della temperatura alla quale è portato l'acciaio, e all'aumentare di questa si ottiene struttura con proprietà meccaniche sempre migliori perdendo un po' di durezza. Di solito il trattamento di rinvenimento viene effettuato subito dopo la tempra. Il trattamento di tempra più rinvenimento al 4° stadio prende il nome di "bonifica".Bonifica
Viene eseguita su acciai a medio contenuto di carbonio per eliminare le caratteristiche negative degli acciaio semplicemente temprati, vale a dire l'eccessiva fragilità e la presenza di austenite residua. Consiste in una tempra con successivo rinvenimento al 4° stadio, cioè portando l'acciaio a 600-650°C. È possibile ottenere la struttura nota come sorbite da rinvenimento che presenta il miglior compromesso fra caratteristiche meccaniche e resistenza agli urti. In genere si usano acciai con un tenore di carbonio compreso fra lo 0,25% e il 0,6% di carbonio, con percentuali variabili di elementi leganti come nichel, cromo, molibdeno e più raramente vanadio.Trattamenti superficiali
Cementazione
Consiste nell'aumentare il contenuto di carbonio nello strato superficiale dell'acciaio; 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, e viene seguita dalla tempra del materiale. I pezzi cementati perdono però gradatamente le loro caratteristiche superficiali se sottoposti a temperature oltre i 200ºC.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.
Particolarmente importante nel campo dell'acciaio è la carbocementazione.
Nitrurazione
Come la cementazione, 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.Borurazione
Cianurazione
Calmaggio
Nell'acciaio può essere presente dell'ossigeno 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'accaio è quotato nelle maggiori Borse del mondo. Attualmente, la scalata del Mittal, il colosso siderurgico indiano, su Ancelor, ha creato il maggior produttore al mondo (con una quota di mercato intorno al 90%).
leghe metalliche | metallurgia
Стомана | Acer | Ocel | Dur | Stål | Stahl | Χάλυβας | Steel | Ŝtalo | Acero | Teras | فولاد | Teräs | Acier | פלדה | Baja | 鋼 | Plienas | Tērauds | Staal | Stål | Stål | Stal | Aço | Сталь | Steel | Oceľ | Jeklo | Stål | Çelik | پولات | Сталь | 钢
"Acciaio"