Acciai e leghe con proprietà speciali
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Gli acciai e le leghe con proprietà speciali vengono progettati quando la durata di un componente non è più determinata esclusivamente dai classici parametri meccanici e prevale una funzione dominante: resistenza all’usura, resistenza alla corrosione, stabilità alle alte temperature o caratteristiche fisiche appositamente modellate, quali elevata resistenza elettrica, espansione termica specifica o proprietà magnetiche. In tali materiali, la composizione chimica e la lavorazione non vengono selezionate “in generale”, ma direttamente in funzione del meccanismo che deve operare durante l’uso: il materiale deve indurirsi nello strato superficiale, passivarsi in un determinato ambiente o formare una scaglia protettiva nei gas caldi.
In pratica, è molto raro trovare una lega che sia “resistente a tutto”. La resistenza alla corrosione dipende fortemente dal tipo di ambiente, la resistenza all’abrasione dipende dal fatto che prevalgano la “macinazione”, l’attrito o l’usura sotto alta pressione e impatto, mentre le proprietà alle alte temperature devono essere considerate separatamente come resistenza al calore (resistenza all’ossidazione) e resistenza al calore (resistenza allo scorrimento). Pertanto, una descrizione significativa degli acciai speciali si basa sulla comprensione di “ciò che produce l’effetto” e “quali sono le condizioni al contorno”, piuttosto che sulla memorizzazione di alcuni nomi.
Acciai resistenti all’abrasione
Un materiale molto caratteristico con elevata resistenza all’abrasione è l’acciaio austenitico al manganese 11G12, contenente circa l’1-1,3% di C e l’11-14% di Mn, con un rapporto carbonio/manganese raccomandato vicino a 1:10, poiché solo un contenuto sufficiente di carbonio garantisce la durabilità della struttura austenitica. Questo acciaio, utilizzato per la produzione di lame per la lavorazione del legno, presenta una durezza di 17 HRC. Mn, con un rapporto carbonio/manganese raccomandato vicino a 1:10, poiché solo un contenuto di carbonio sufficiente garantisce la durata della struttura austenitica. Questo acciaio, noto come acciaio Hadfield, si distingue per una serie di proprietà insolite: ha una bassa resistenza allo snervamento (dell’ordine di Re ≈ 400 MPa) e una bassa durezza (circa 210 HB), ma allo stesso tempo presenta una resistenza alla trazione molto elevata (circa Rm ≈ 1050 MPa) e proprietà plastiche e resistenza all’urto eccezionalmente buone (tra cui A ≈ 50% e un’elevata resistenza all’urto Charpy).
La fonte della sua resistenza all’usura non è la sua “durezza iniziale”, bensì il suo comportamento sotto carico. Poiché l’acciaio ha una bassa resistenza allo snervamento, si indurisce facilmente, in modo molto forte e significativamente più intenso rispetto a molti acciai strutturali tipici; Inoltre, sotto pressione, l’austenite nello strato superficiale può trasformarsi in martensite, aumentando localmente la durezza e prevenendo ulteriore usura. Questo meccanismo rende l’acciaio Hadfield resistente sia all’abrasione che agli urti, mentre gli acciai temprati classici, sebbene resistenti all’abrasione, spesso perdono terreno nelle applicazioni soggette a urti a causa della loro fragilità.
Una struttura austenitica omogenea è un prerequisito per ottenere le proprietà desiderate. Quando viene raffreddato lentamente, insieme all’austenite compaiono precipitati di carburo che ne deteriorano le proprietà. Pertanto, l’acciaio 11G12 viene supersaturato a circa 950-1000 °C con raffreddamento ad acqua per ottenere l’austenite più omogenea possibile. Da un punto di vista pratico, è importante anche il limite di applicabilità: l’acciaio Hadfield è resistente all’abrasione principalmente quando l’usura è accompagnata da una pressione superficiale significativa; in condizioni di “macinazione” senza pressione, non mostra il suo vantaggio. Per questo motivo, viene utilizzato per scambi ferroviari, ganasce di frantumatori e binari di veicoli, ovvero dove si verificano contemporaneamente carichi di impatto frequenti e ad alta pressione. Il prezzo da pagare per questi vantaggi è una lavorabilità molto difficile, in pratica consentita principalmente con utensili in carburo.
Acciai inossidabili, resistenti agli acidi e alla ruggine
La corrosione è il processo di distruzione del metallo causato dall’ambiente esterno, che inizia dalla superficie e progredisce verso l’interno, con un avanzamento talvolta irregolare. In termini di meccanismo, si distingue tra corrosione chimica, tipica dell’azione dei gas secchi ad alte temperature, e corrosione elettrochimica, che si verifica nei liquidi (il più delle volte in soluzioni acquose) con la partecipazione di elettroliti e flusso di corrente in celle locali. L’osservazione chiave è che il processo può essere inibito se sulla superficie si forma uno strato di prodotti di corrosione che soddisfa le condizioni di una “barriera protettiva”: deve coprire strettamente il metallo, non dissolversi nell’ambiente, aderire bene e avere un coefficiente di espansione simile a quello del metallo in modo da non creparsi durante i cambiamenti di temperatura. Questo porta intuitivamente all’idea degli acciai inossidabili, la cui resistenza deriva dal mantenimento di uno strato passivo stabile e compatto.
Negli acciai inossidabili, il componente più importante è il cromo, poiché solo un contenuto di Cr sufficientemente elevato consente una passivazione permanente. Il materiale distingue, tra gli altri, gli acciai al cromo con diversi contenuti di carbonio e mostra come la composizione influisca sulla struttura nel sistema Fe–Cr–C. A contenuti di carbonio molto bassi (inferiori a circa lo 0,1%), il campo ferritico può estendersi su tutto l’intervallo di temperatura e l’acciaio ha una struttura ferritica; a contenuti medi di carbonio (circa 0,20-0,30%), dopo il riscaldamento compare dell’austenite parziale e, dopo il raffreddamento, si ottiene una miscela di ferrite e martensite, che dà origine ad acciai semifertici; a tenori di carbonio più elevati, l’acciaio si trasforma completamente in austenite dopo il riscaldamento e diventa martensitico dopo il raffreddamento. In questo contesto, vengono forniti alcuni esempi di acciai al cromo tipici: 0H13 come ferritico, 1H13 come semi-ferritico e 2H13-4H13 come martensitico, con trattamento termico consistente in tempra a 950-1000 °C e rinvenimento a 600-700 °C, che consente di ottenere un’ampia gamma di resistenze a seconda del contenuto di carbonio. Questi acciai sono resistenti alla corrosione nel vapore acqueo e in alcuni acidi (ad esempio nitrico o acetico), ma non sono resistenti agli acidi cloridrico e solforico, il che dimostra chiaramente che la “resistenza alla corrosione” non è assoluta, ma dipende dall’ambiente.
In pratica, esistono anche acciai inossidabili al cromo con un contenuto di Cr più elevato, ad esempio tipi nella gamma del 16-18% di Cr e circa lo 0,1% di C (ad es. H17), spesso con struttura ferritica o ferritico-martensitica, utilizzati nell’industria alimentare o per prodotti di uso quotidiano, nonché acciai con 25-28% Cr (ad esempio H25T) con struttura ferritica, meno duttili, ma utili anche come materiali resistenti al calore a temperature più elevate. Un limite significativo degli acciai ferritici è che non subiscono trasformazioni allotropiche, quindi non possono essere “migliorati” con il classico trattamento termico: l’affinamento del grano si ottiene principalmente con la lavorazione plastica.
La massima resistenza alla corrosione in molte applicazioni è ottenuta dagli acciai austenitici al cromo-nichel. I gradi moderni contengono tipicamente il 18-25% di Cr e l’8-20% di Ni, e il più comune è l’acciaio 18/8 (e le sue varianti), che è resistente a molti agenti corrosivi. Le aggiunte di leghe consentono di “ottimizzare” la resistenza: il molibdeno (circa 1,5-2,5%) aumenta la resistenza in ambienti con acido solforico, il rame (circa 3%) riduce la suscettibilità alla corrosione da tensione e il silicio (circa 2-3%) può migliorare la resistenza all’acido cloridrico. Per garantire una struttura austenitica omogenea, questi acciai sono sottoposti a saturazione a 1050–1100 °C con raffreddamento ad acqua, che è uno degli elementi chiave della tecnologia dell’acciaio inossidabile.
Allo stesso tempo, gli acciai austenitici al cromo-nichel presentano una tipica “trappola operativa”: la tendenza alla corrosione intergranulare dopo l’esposizione a temperature comprese tra circa 450 e 700 °C, quando i carburi di cromo possono essere rilasciati ai bordi dei grani, impoverendo i bordi di cromo e rimuovendo localmente la passivazione. Il materiale indica i modi classici per limitare questo fenomeno: contenuto di carbonio molto basso (nell’intervallo 0,02-0,03%), stabilizzazione con elementi fortemente carburogeni (titanio, niobio), ricottura stabilizzante a circa 850 °C e supersaturazione. Questo è un buon esempio di come, negli acciai speciali, il risultato sia determinato non solo dalla composizione, ma anche dalla “storia termica” del materiale.
Al confine tra gli acciai inossidabili classici si trovano gli acciai difficili da arrugginire, utilizzati principalmente per la corrosione atmosferica. L’idea alla base è che, con il tempo, la superficie si ricopre di uno strato di ruggine compatta e a bassa permeabilità che aderisce bene al substrato e rallenta l’ulteriore corrosione; questa ruggine protettiva è chiamata patina. Il rame (circa 0,20-0,50%) svolge un ruolo importante in questo gruppo e, per rendere più pronunciato l’effetto protettivo, vengono utilizzati anche cromo (fino a circa l’1,3%) e nichel, mentre il fosforo in presenza di questi componenti aumenta ulteriormente la resistenza, motivo per cui il suo contenuto viene talvolta aumentato. Come esempi ricordiamo il noto acciaio “Cor-ten A” e il suo equivalente (10HNAP), che dimostrano chiaramente che a volte l’obiettivo non è la completa inossidabilità, ma piuttosto il raggiungimento di una protezione stabile in condizioni atmosferiche.
Resistenza al calore, durabilità termica, scorrimento e selezione dei gruppi di materiali
Lavorare ad alte temperature comporta due requisiti diversi. La resistenza al calore significa resistenza all’effetto ossidante dei gas a temperature superiori a 550 °C, ovvero nella gamma del rosso incandescente, dove l’acciaio al carbonio forma rapidamente scorie e il tasso di ossidazione aumenta rapidamente con la temperatura. La resistenza al calore è aumentata da additivi quali cromo, silicio e alluminio, che, avendo una maggiore affinità con l’ossigeno rispetto al ferro, formano uno strato compatto e aderente di ossidi che inibisce l’ulteriore ossidazione. Il materiale offre un rapporto molto pratico: con un contenuto di superiore al 10% di Cr, l’acciaio può essere resistente al calore a circa 900 °C, mentre per garantire la resistenza al calore a 1100 °C è solitamente necessario un contenuto di 20-25% di Cr; inoltre, è fondamentale che l’acciaio resistente al calore non subisca trasformazioni allotropiche all’interno dell’intervallo di temperatura di esercizio, poiché le variazioni di volume associate possono compromettere l’integrità dello strato protettivo.
Il secondo requisito è la resistenza al calore, ovvero la capacità di sopportare carichi prolungati ad alte temperature senza deformarsi eccessivamente. È qui che entra in gioco il fenomeno dello scorrimento: sotto sollecitazione costante, il materiale si allunga nel tempo e una tipica curva di scorrimento presenta una sezione in cui il tasso di deformazione è approssimativamente costante; è proprio questa sezione che è particolarmente importante quando si confrontano i materiali. Lo scorrimento può essere inteso come una “lotta” tra due processi: il rafforzamento attraverso l’aumento della densità di dislocazione e il recupero ad alta temperatura, che elimina tale rafforzamento. Nei materiali resistenti al calore, l’obiettivo è quindi quello di garantire che la struttura resista al recupero e alla ricristallizzazione nel modo più efficace possibile alle temperature di esercizio.
Negli acciai resistenti al calore, le aggiunte di molibdeno, tungsteno e vanadio sono importanti, ma da sole non garantiscono la resistenza all’ossidazione, motivo per cui, nella pratica, gli acciai resistenti al calore le combinano con additivi che aumentano la resistenza al calore, principalmente cromo, ma anche silicio e alluminio. Se è richiesta una struttura austenitica, vengono utilizzati anche nichel e manganese. Il materiale indica anche l’approccio standard alle caratteristiche di resistenza al calore (nel contesto dello scorrimento) attraverso valori temporali: la sollecitazione che provoca una deformazione permanente specifica dopo un determinato tempo a una determinata temperatura e la sollecitazione che provoca la rottura dopo un determinato tempo a una determinata temperatura, il che sottolinea che la “resistenza alle alte temperature” è sempre correlata al tempo di esposizione.
La scelta del materiale alle alte temperature dipende in larga misura dall’intervallo di funzionamento. Il materiale presenta una divisione pratica: nell’intervallo di circa 350–500 °C, vengono utilizzati acciai legati ferritici o ferritico-perlitici; nell’intervallo di 500–650 °C, sono più comuni gli acciai austenitici; nell’intervallo 650–900 °C vengono utilizzate leghe a base di nichel e cobalto; e al di sopra di 900 °C – leghe di metalli refrattari (tra cui molibdeno e cromo). Questa divisione spiega bene perché gli acciai Cr-Mo con additivi moderati sono tipici per caldaie e impianti di potenza, mentre le turbine e i motori a reazione richiedono leghe con una “classe” di stabilità strutturale completamente diversa.
Nel gruppo degli acciai ferritici e ferritico-perlitici resistenti al calore, destinati a un funzionamento prolungato solitamente fino a circa 500–550 °C, il materiale fornisce esempi di acciai per tubi di caldaie contenenti circa 0,1-0,2% C, circa 1-2% Cr, e 0,5-1% Mo. Sono saldabili ma richiedono un preriscaldamento prima della saldatura e, dopo la saldatura, il giunto viene normalizzato e temperato (il materiale richiede una tempra a circa 700 °C) al fine di ottenere la struttura più stabile possibile. Ciò dimostra che negli acciai per alte temperature, la tecnologia di fabbricazione dei giunti fa parte del “pacchetto materiale” e non è un’aggiunta finale.
Gli acciai resistenti al calore includono gli acciai al cromo-alluminio, al cromo-silicio e al cromo-nichel, e in applicazioni quali le valvole dei motori vengono utilizzati acciai con un maggiore contenuto di cromo e silicio, ad esempio i cosiddetti silcromi contenenti circa 0,4-0,5% C, 8–10% di Cr, e 2–3% di Si. Il loro trattamento termico comprende la tempra a circa 1050 °C e il rinvenimento a 680-700 °C, che combina la resistenza al calore del componente (cromo/silicio) con i requisiti di resistenza dell’elemento.
Per le condizioni più difficili, in particolare nelle turbine e nei motori a reazione, il materiale è caratterizzato da gruppi speciali di leghe resistenti al calore: leghe austenitiche a base di ferro con cromo e nichel, leghe complesse Cr-Ni-Co-Fe, leghe a base di cobalto e leghe a base di nichel (nimonic). Sono indicati i tipici intervalli di temperatura di esercizio e i trattamenti termici caratteristici, ad esempio la supersaturazione e l’invecchiamento (per le leghe Cr-Ni-Co-Fe, supersaturazione in un intervallo di temperatura molto elevato e invecchiamento a circa diverse centinaia di gradi; per le leghe Nimonic, supersaturazione nell’intervallo di circa 1050-1200 °C e invecchiamento a circa 700 °C). Si tratta di una filosofia diversa da quella degli acciai strutturali: in questo caso, le proprietà derivano in gran parte dalla resistenza allo scorrimento e dall’indurimento controllato per precipitazione ad alte temperature, e non solo dall’indurimento e dalla tempra.
Proprietà fisiche speciali
Negli elementi di riscaldamento elettrico e di resistenza sono richiesti materiali con elevata resistenza specifica, basso aumento della resistenza alle alte temperature e, allo stesso tempo, elevata resistenza al calore, bassa espansione termica e alto punto di fusione. In questo caso è vantaggiosa una struttura a soluzione solida, poiché questo tipo di struttura favorisce una maggiore resistenza elettrica rispetto alle miscele di fasi. In pratica, vengono utilizzate due famiglie principali di materiali: leghe di nichel-cromo (nicromi) o acciai austenitici al cromo-nichel con una composizione simile agli acciai resistenti al calore, nonché acciai ferritici al cromo-alluminio noti con nomi commerciali (ad esempio Kanthal, Alchrom).
Un gruppo separato è costituito da leghe progettate per garantire un coefficiente di espansione termica specifico. Il materiale mostra una dipendenza particolarmente forte dell’espansione dalla composizione delle leghe Fe-Ni. Un esempio classico è l’invar, contenente circa il 36% di Ni, che presenta un’espansione molto bassa nell’intervallo compreso tra circa –80 e +150 °C, con un aumento significativo del coefficiente al di fuori di tale intervallo. Un’espansione ancora più bassa in un determinato intervallo di temperatura è ottenuta dal superinvar, contenente circa il 30-32% di Ni, il 4-6% di Co, e pochissimo carbonio. Queste leghe sono utilizzate in strumenti e meccanismi che non devono subire variazioni dimensionali con le fluttuazioni di temperatura, nonché in dispositivi di condensazione del gas.
La seconda famiglia di leghe Fe-Ni è selezionata in modo che l’espansione corrisponda a quella del vetro. Un esempio è la platinoite con un contenuto di circa 46% Ni e basso tenore di carbonio, utilizzata per la fusione nel vetro delle lampadine e dei tubi elettronici. Nello stesso campo di applicazione esistono anche i bimetalli, ovvero strisce a doppio strato ottenute saldando materiali con coefficienti di espansione diversi. Quando un elemento di questo tipo si riscalda, la differenza di espansione lo fa piegare, il che viene sfruttato nei dispositivi di misurazione e controllo della temperatura, negli interruttori, nei relè e nei dispositivi di protezione termica.
Proprietà magnetiche: materiali morbidi, duri e non magnetici
Nell’ingegneria elettrica, i materiali sono suddivisi in magneticamente morbidi, magneticamente duri e non magnetici, e i requisiti per ciascun gruppo sono diversi. I materiali magneticamente morbidi sono facili da magnetizzare e smagnetizzare, quindi la loro struttura dovrebbe essere a grana grossa e il più possibile vicina all’equilibrio, e il contenuto di carbonio e impurità nocive (zolfo, fosforo, ossigeno, azoto) dovrebbe essere il più basso possibile, poiché aumentano la coercitività e le perdite. L’esempio più semplice è il ferro tecnicamente puro utilizzato per gli elettromagneti e i nuclei dei relè, ma sono comunemente utilizzati anche acciai a basso tenore di carbonio. In pratica, anche gli acciai al silicio, in cui il silicio è presente in una soluzione solida, sono molto importanti; questi sono i materiali di base per le lamiere di acciaio elettrico.
Inoltre, le leghe Fe-Ni possono presentare proprietà magnetiche particolarmente buone e che il permalloy (una lega Fe-Ni con un elevato contenuto di nichel) è spesso citato come esempio di lega classica con permeabilità magnetica molto elevata, il che corrisponde bene alla pratica di utilizzare leghe di nichel nelle apparecchiature di precisione. Nel campo dei magneti permanenti, ovvero dei materiali magneticamente duri, l’obiettivo è che il materiale mantenga la sua magnetizzazione dopo la magnetizzazione, il che richiede caratteristiche strutturali diverse e spesso additivi di lega diversi. Le migliori proprietà magnetiche (nel contesto dei magneti) sono presenti negli acciai contenenti cobalto, sebbene il loro utilizzo sia limitato dalla disponibilità di cobalto.
Una famiglia molto importante di magneti in lega è quella delle leghe Fe-Ni-Al-Co, note come alniko, che contengono tipicamente 14-28% Ni, 6-12% Al e 5–35% Co. Le loro proprietà sono ottenute non solo attraverso la loro composizione, ma anche attraverso un trattamento termico che prevede l’omogeneizzazione ad alta temperatura, seguita da supersaturazione (in acqua o olio) e poi invecchiamento in un intervallo di temperatura medio. Ciò consente di utilizzare l’alnico per realizzare magneti potenti con dimensioni ridotte e peso contenuto, caratteristiche fondamentali in molti dispositivi.
In alcune applicazioni, tuttavia, sono necessari materiali non magnetici, che si comportano in modo neutro in un campo magnetico. Il materiale indicato qui è l’acciaio al cromo-nichel-manganese (ad esempio, H12N11G6) e l’acciaio al cromo-manganese (ad es. G18H3), che sono trattati termicamente mediante supersaturazione e le cui proprietà meccaniche possono essere ulteriormente migliorate mediante deformazione a freddo. Ciò dimostra che nel gruppo “magnetico” è possibile progettare acciai speciali sia per massimizzare che per minimizzare i fenomeni magnetici.
Acciai e leghe con proprietà speciali – sintesi
Gli acciai e le leghe con proprietà speciali sono materiali progettati per il meccanismo di lavoro dominante piuttosto che per la resistenza “media”. Negli acciai resistenti all’usura, come l’acciaio Hadfield, sono fondamentali l’auto-indurimento sotto carico e la possibilità di trasformazione superficiale, che garantiscono resistenza all’usura mantenendo la resistenza agli urti, ma allo stesso tempo introducono limitazioni operative e tecnologiche (pressione, lavorabilità). Negli acciai inossidabili e resistenti agli acidi, la base è la passivazione basata principalmente sul cromo, mentre la durata effettiva dipende dalla struttura, dagli additivi di lega e dalla storia termica, un esempio della quale è il problema della corrosione intergranulare negli acciai austenitici dopo il riscaldamento a determinate temperature. Nelle applicazioni ad alta temperatura, i requisiti di resistenza al calore e resistenza termica devono essere separati, comprendendo il ruolo della scaglia protettiva e dello scorrimento, e la scelta dei materiali varia dagli acciai Cr-Mo alle superleghe a base di nichel e cobalto all’aumentare della temperatura di esercizio. Infine, proprietà fisiche quali resistenza elettrica, espansione termica e magnetismo dimostrano che l’acciaio e le leghe possono essere progettati come componenti funzionali di un dispositivo, dai fili resistivi e bimetalli termici ai magneti permanenti in alluminio e acciaio non magnetico per l’uso in campi magnetici.
