Elementi leganti nelle leghe ferro-carbonio
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L’acciaio al carbonio può ottenere numerose proprietà attraverso il trattamento termico, ma in molte applicazioni ciò non è ancora sufficiente. L’introduzione di componenti diversi dal ferro e dal carbonio nell’acciaio (o un aumento del contenuto di alcuni additivi, come il manganese e il silicio) crea un gruppo di materiali chiamati acciai legati. Questi elementi aggiunti (additivi di lega) interagiscono simultaneamente con il ferro, il carbonio e tra loro, determinando un cambiamento nella struttura e nelle proprietà. Ciò consente di ottenere proprietà meccaniche e tecnologiche superiori, maggiore temprabilità, elevata durezza e resistenza all’abrasione, nonché proprietà speciali (ad es. resistenza alla corrosione, resistenza al calore o resistenza termica).
Allo stesso tempo, l’acciaio legato è generalmente più costoso, quindi viene utilizzato quando l’acciaio al carbonio non soddisfa i requisiti. In pratica, è anche importante che gli acciai legati siano utilizzati più spesso in uno stato trattato termicamente, perché solo in questo modo gli effetti della lega si manifestano pienamente: cinetica modificata della trasformazione dell’austenite, diversa tendenza alla crescita dei grani, possibilità di produrre e stabilizzare carburi legati e ottenere combinazioni favorevoli di durezza e plasticità.
Come vengono classificati gli acciai legati e perché questa classificazione è talvolta ambigua?
La classificazione degli acciai legati può basarsi su diversi criteri, ma la classificazione più comune è quella secondo il tipo e la quantità di additivi leganti, ovvero secondo la composizione chimica. Da qui derivano denominazioni quali acciai al cromo, acciai al manganese, acciai al cromo-nichel; tuttavia, il materiale sottolinea che, con le composizioni chimiche sempre più complesse odierne, questa classificazione è meno netta, poiché l’acciaio può contenere contemporaneamente diversi additivi importanti e il suo comportamento dipende dalla loro combinazione, non solo dall’elemento “principale”.
Dal punto di vista della tecnologia e della scelta dei materiali, altrettanto importante è la classificazione in base alla quantità di additivi di lega in acciai bassolegati, mediolegati e altolegati, mentre con contenuti molto bassi si parla di acciai microlegati. Anche la classificazione in base all’applicazione è di grande importanza pratica: distinguiamo tra acciai strutturali, acciai per utensili e acciai con proprietà speciali. C’è una logica semplice dietro questa classificazione: applicazioni diverse richiedono diversi “meccanismi” di rinforzo (ad esempio precipitazione di carburi, maggiore temprabilità, stabilizzazione della struttura ad alte temperature) e quindi additivi diversi.
Marcatura degli acciai legati
Il materiale descrive un sistema di marcatura in cui il marchio dell’acciaio è composto da numeri e lettere, il cui significato è strettamente correlato alla composizione. Il primo numero indica solitamente il contenuto medio di carbonio in centesimi di percentuale, mentre i numeri dopo le lettere indicano il contenuto medio di un determinato elemento di lega in percentuale. Se non c’è alcun numero dopo la lettera, significa che il contenuto dell’elemento non supera l’1,5%. Inoltre, gli acciai di qualità superiore con un contenuto molto basso di fosforo e zolfo sono contrassegnati dalla lettera A alla fine del marchio.
È inoltre importante notare che nel sistema citato le lettere provengono dall’alfabeto russo e corrispondono a elementi specifici (ad esempio, la lettera che indica il nichel, il cromo o il molibdeno in questo sistema è diversa da quella utilizzata nei simboli chimici moderni). Il materiale fornisce anche un esempio di come interpretare la marcatura, mostrando come leggere i valori di carbonio e dei principali additivi dalla marcatura stessa e come riconoscere se l’acciaio è di qualità ordinaria o superiore.
Negli acciai per utensili, il sistema di marcatura è diverso: all’inizio ci sono lettere che indicano il gruppo funzionale (ad esempio, acciai per lavorazioni a freddo, lavorazioni a caldo e acciai rapidi), mentre le lettere e i numeri successivi sono utilizzati per indicare i principali additivi di lega o i loro gruppi e per distinguere tra i diversi gradi. Il materiale fornisce anche un elenco di lettere assegnate agli elementi nelle marcature degli utensili (ad esempio marcature separate per tungsteno, vanadio, molibdeno, cromo, cobalto, ecc.).
Elementi leganti e allotropia del ferro
Uno degli effetti più importanti della lega è l’influenza degli additivi sull’intervallo di stabilità degli allotropi del ferro, ovvero sulle temperature alle quali può esistere l’austenite (fase γ). Il materiale divide gli elementi in due gruppi fondamentali in base al modo in cui modificano le temperature di transizione A3 e A4. Gli elementi del primo gruppo abbassano A3 e aumentano A4, il che significa che l’intervallo di esistenza della fase γ si espande. Con un contenuto sufficientemente elevato, può verificarsi una situazione in cui la fase γ esiste dalla temperatura ambiente alla temperatura di fusione: si tratta di un sistema con un campo austenitico aperto. Questo effetto è stato descritto per le leghe di ferro con nichel, cobalto e manganese, che formano soluzioni solide continue con il ferro.
Se gli elementi che espandono il campo γ non formano soluzioni continue, ma solo soluzioni di confine, il quadro è più complesso: il campo γ può inizialmente espandersi, ma in seguito, a causa della comparsa di intervalli bifase, restringersi gradualmente fino a scomparire. Il materiale fa riferimento a questo caso come a un sistema con un campo austenitico espanso e fornisce esempi (tra cui alcuni sistemi con rame o oro, nonché l’influenza di elementi interstiziali come carbonio e azoto).
Il secondo gruppo ha l’effetto opposto: questi elementi abbassano A4 e aumentano A3 e, con una solubilità sufficiente nel ferro, possono portare alla formazione di un campo austenitico chiuso, limitato dall’area bifase α + γ. Al di fuori di questo campo, la ferrite è presente dalle temperature normali fino al punto di fusione. Il materiale elenca un’ampia gamma di elementi che presentano questo effetto (tra cui alluminio, silicio, titanio, vanadio, cromo, molibdeno, tungsteno e altri). Quando la solubilità in γ è troppo bassa, invece di un campo chiuso, si forma un sistema con un campo austenitico ristretto, come descritto, ad esempio, per le leghe con boro, zirconio e cesio.
In che forma si presentano gli additivi di lega nell’acciaio?
trova nella microstruttura. Il materiale elenca varie possibilità: gli elementi di lega possono presentarsi in soluzione solida, come carburi, come inclusioni non metalliche, come composti intermetallici o (raramente) in forma libera. Allo stesso tempo, negli acciai legati utilizzati nella pratica, sono due le forme di fondamentale importanza: soluzione solida e carburi, poiché determinano in modo più significativo le proprietà e il comportamento durante il trattamento termico.
Le inclusioni non metalliche si presentano solitamente in piccole quantità e la loro influenza dipende più dalla loro forma, dimensione e distribuzione che dalla loro composizione chimica. Possono formarsi composti intermetallici, ma il più delle volte solo con contenuti di additivi molto elevati, quindi negli acciai tipici per l’ingegneria sono meno importanti della soluzione solida e dei carburi. Questa conclusione guida ulteriori analisi: se vogliamo capire perché l’acciaio legato è più duro, più temprabile o più resistente al surriscaldamento, di solito dobbiamo considerare l’indurimento in soluzione e il ruolo dei carburi legati.
L’effetto degli additivi nella soluzione solida sulla ferrite
Molti elementi di lega si dissolvono nella ferrite o nell’austenite, ma il grado di solubilità è individuale e dipende, tra le altre cose, dalla corrispondenza delle dimensioni degli atomi. Il materiale fa riferimento al criterio della differenza di diametro atomico e mostra l’intervallo in cui la formazione di soluzioni solide è particolarmente favorevole, ricordandoci anche gli elementi interstiziali (come carbonio, azoto o boro) che formano soluzioni interstiziali nel ferro.
L’effetto ingegneristico più importante è il seguente: gli additivi disciolti nella ferrite aumentano la resistenza alla trazione, la resistenza allo snervamento e la durezza, mentre riducono le proprietà plastiche. Il materiale sottolinea che maggiore è la differenza tra un dato elemento e il ferro (ad esempio in termini di dimensione atomica), maggiore è il cambiamento. Vengono fornite anche informazioni qualitative su quali elementi induriscono maggiormente la ferrite: manganese, silicio e nichel, tra gli altri, causano un indurimento significativo, mentre l’effetto del cromo, del molibdeno e del tungsteno è meno pronunciato. Per quanto riguarda la resistenza all’urto, si indica che la maggior parte di questi elementi (ad eccezione del cromo e del nichel) la riduce e, tra gli additivi considerati, il nichel è il più vantaggioso perché può aumentare sia la durezza che la resistenza all’urto.
È bene considerare la dipendenza dalla velocità di raffreddamento. Il materiale descrive che la ferrite contenente nichel, cromo o manganese in soluzione può formare una struttura aghiforme simile nell’aspetto alla martensite quando viene raffreddata rapidamente, con un conseguente aumento della durezza di 100-150 HB rispetto allo stato dopo un raffreddamento lento. Per la ferrite con silicio, molibdeno o tungsteno, tuttavia, questa dipendenza dalla velocità di raffreddamento è trascurabile. Si tratta di un’osservazione importante perché dimostra che anche “la stessa composizione” può determinare una durezza diversa se il processo di raffreddamento viene modificato.
Carburi di leghe
Negli acciai legati, non solo la soluzione solida ma anche i carburi svolgono spesso un ruolo fondamentale. Il materiale spiega che la tendenza degli elementi a formare carburi è correlata alla loro struttura elettronica e la conclusione pratica è che gli elementi possono essere classificati in base alla loro crescente capacità di formare carburi stabili: Fe, Mn, Cr, Mo, W, V, Ti, Zr, Nb. Più il carburo è stabile, più alta è la temperatura alla quale si dissolve nell’austenite durante il riscaldamento e più difficile è separarlo dalla martensite durante la tempra, il che influisce direttamente sulla scelta delle temperature di austenitizzazione e tempra negli acciai legati.
Il materiale cita anche la classificazione di Goldschmidt, che organizza i tipi di carburo in base alla struttura cristallina e alle proprietà. I carburi del gruppo I, con un reticolo regolare di tipo NaCl e formula MC (ad esempio TiC, ZrC, VC, NbC), sono molto stabili, hanno punti di fusione e durezza molto elevati. Il gruppo II comprende carburi con un reticolo esagonale compatto, di tipo MC o M2C (ad esempio WC, W2C, MoC), con punti di fusione e durezza leggermente inferiori. Il gruppo III è costituito da carburi M3C con struttura cementite (tra cui Fe3C e Mn3C), con durezza inferiore rispetto ai carburi più stabili dei gruppi I e II.
Allo stesso tempo, è stato sottolineato che i carburi legati raramente si presentano “nella loro forma pura”. Di solito contengono ferro in soluzione e, se l’acciaio ha diversi additivi, i carburi possono contenere anche questi elementi. I carburi con una struttura simile possono dissolversi a vicenda (ad esempio cementite e carburo di manganese) e gli acciai contengono anche carburi con strutture più complesse, come M23C6 o M7C3. Il materiale evidenzia anche un’importante distinzione tecnologica: i carburi semplici come MC e M2C sono molto stabili e difficili da dissolvere nell’austenite anche a temperature elevate, mentre i carburi complessi si dissolvono più facilmente quando vengono riscaldati.
Elementi che formano carburi ed elementi che non formano carburi
Il materiale propone una comoda classificazione degli elementi di lega in base alla loro interazione con il carbonio. Il gruppo non carburoformante comprende, tra gli altri, Ni, Si, Co, Al, Cu e N. Negli acciai, questi elementi si presentano generalmente in soluzione solida nel ferro, con importanti eccezioni: il rame con un contenuto superiore a circa lo 0,5% può formare una fase separata (una soluzione solida su una matrice di rame), mentre l’azoto può formare composti sotto forma di nitruri.
Gli elementi che formano carburi hanno una doppia funzione: possono presentarsi sia in soluzione solida che sotto forma di carburi, e la forma prevalente dipende dal contenuto di carbonio e dalla presenza di altri elementi che formano carburi. Il materiale fornisce una logica pratica in questo caso: con un contenuto di carbonio più elevato e una piccola quantità di additivi che formano carburi, questi elementi saranno principalmente presenti nei carburi, mentre con un contenuto di carbonio basso e un contenuto elevato di additivi che formano carburi, il carbonio sarà legato nei carburi e gli additivi “in eccesso” rimarranno nella soluzione solida. Quali elementi si legheranno per primi nei carburi è determinato dalla loro affinità per il carbonio.
A questo punto, il materiale sottolinea chiaramente che l’effetto dei carburi sulle proprietà è generalmente molte volte più forte dell’indurimento della ferrite da parte degli additivi disciolti nella soluzione. Inoltre, il “potere” dei carburi nella pratica è determinato principalmente dalla loro dispersione e morfologia: le particelle di carburo di grandi dimensioni hanno un effetto di rinforzo inferiore, i precipitati a forma di piastra compromettono la plasticità più di quelli sferoidali con la stessa durezza e i carburi ai bordi dei grani possono causare fragilità.
In che modo gli additivi di lega modificano il sistema Fe-Fe₃C?
L’introduzione di additivi leganti modifica la posizione delle temperature e dei punti caratteristici nel sistema ferro-cementite. Il materiale afferma che gli elementi che estendono l’intervallo della fase γ abbassano la temperatura di trasformazione Ac3, mentre gli elementi che restringono il campo γ aumentano Ac3, il che è particolarmente evidente a basso contenuto di carbonio. Un effetto simile (in una certa misura) si applica alla temperatura di trasformazione eutettoide, perché c’è anche una trasformazione allotropica “sullo sfondo”.
Anche l’effetto sulla concentrazione di carbonio nel punto eutetto è molto importante. Il materiale afferma che tutti gli elementi di lega spostano il punto S della perlite verso sinistra, ovvero verso contenuti di carbonio inferiori, riducendo il contenuto di carbonio nella perlite della lega. Allo stesso modo, la maggior parte degli additivi sposta il punto E, che determina il limite di solubilità del carbonio nell’austenite, verso sinistra, con l’effetto più forte esercitato da (in ordine crescente di effetto) W, Si, Cr, Mo, V, Ti. Lo spostamento del punto E può essere così grande che anche con un contenuto di carbonio inferiore al 2% negli acciai legati, può apparire una struttura ledeburitica, il che è un segnale forte che un semplice diagramma Fe-Fe₃C non è più sufficiente per prevedere la struttura degli acciai legati.
Il materiale trae da ciò una conclusione metodologica inequivocabile: maggiore è il numero di additivi e più elevato è il loro contenuto, più cambiano le temperature di trasformazione e la posizione dei punti caratteristici, motivo per cui per gli acciai legati non si dovrebbe utilizzare “meccanicamente” solo il sistema ferro-cementite, ma tenere presente la natura multicomponente dell’equilibrio.
L’influenza degli additivi sui grafici CTPi
Il più “pratico” per il trattamento termico è il modo in cui gli additivi di lega modificano le trasformazioni dell’austenite surraffreddata visibili nei grafici CTPi. Il materiale spiega che gli elementi che non formano carburi (ad esempio Ni, Si, Al, Co) di solito non modificano la forma delle curve dell’inizio e della fine della trasformazione dell’austenite, ma le spostano verso destra, il che significa un aumento della stabilità dell’austenite sottoraffreddata e un rallentamento delle sue trasformazioni. Allo stesso tempo, è indicata un’eccezione: il cobalto può agire in modo diverso e accelerare la trasformazione.
Nel caso degli elementi che formano carburi, il quadro è più complesso, specialmente con tenori di carbonio più elevati. Il materiale afferma che questi additivi causano, in particolare, un ritardo nella trasformazione perlitica, spesso anche un aumento della temperatura massima di trasformazione perlitica (ad eccezione del manganese), un abbassamento del limite superiore delle temperature di trasformazione bainitica e un ritardo nella trasformazione bainitica, ma solitamente inferiore rispetto alla trasformazione perlitica. Il risultato è una “diffusione” degli intervalli di trasformazione perlitica e bainitica, che possono sovrapporsi negli acciai non legati. Con l’aumento del contenuto di additivi leganti, possono comparire due massimi distinti della velocità di trasformazione, separati da un intervallo di elevata stabilità dell’austenite.
Tuttavia, è molto importante notare che l’effetto degli additivi che formano carburi sulla stabilità dell’austenite dipende dalla loro effettiva quantità presente nell’austenite, ovvero dal fatto che abbiano avuto il tempo di dissolversi durante l’austenitizzazione. Il materiale sottolinea che gli elementi che formano carburi aumentano la stabilità dell’austenite sottoraffreddata solo se sono stati completamente dissolti in essa durante il riscaldamento. Se, invece, rimangono come carburi non disciolti, l’effetto può essere opposto: l’austenite diventa più povera di additivi e carbonio, e i carburi stessi possono agire come nuclei, favorendo una trasformazione accelerata. Questo spiega perché la giusta temperatura e il tempo di austenitizzazione sono così importanti negli acciai legati.
Elementi leganti nelle leghe ferro-carbonio – sintesi
Da un punto di vista ingegneristico, gli elementi di lega negli acciai Fe-C possono essere intesi come uno strumento che opera su tre livelli correlati. In primo luogo, modificano l’equilibrio di fase, spostando le temperature di trasformazione e la stabilità dell’austenite, talvolta fino al punto di formare sistemi con un campo γ aperto, chiuso o ristretto. In secondo luogo, influenzano la cinetica delle trasformazioni, spostando i diagrammi CTPi, aumentando la stabilità dell’austenite, modificando il rapporto perlite-bainite e modellando la temprabilità abbassando la velocità critica di raffreddamento. In terzo luogo, sviluppano proprietà attraverso la microstruttura: induriscono la ferrite in soluzione, ma soprattutto, attraverso i carburi di lega, consentono un forte rinforzo, il controllo della crescita dei grani ed effetti speciali durante la tempra, compresa la durezza secondaria.
In pratica, ciò significa che gli additivi di lega non sono “bonus alla composizione”, ma elementi di un sistema di controllo della struttura: il loro effetto reale dipende dal fatto che siano disciolti nell’austenite o presenti sotto forma di carburi, dalla loro dispersione e dal modo in cui procedono l’austenitizzazione, il raffreddamento e la tempra. Solo una visione coerente di queste relazioni consente di sfruttare appieno il potenziale degli acciai legati.
