Acciai strutturali legati
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Gli acciai strutturali legati sono acciai destinati a componenti di macchine e attrezzature che operano in condizioni considerate tipiche della meccanica strutturale, ovvero a temperature comprese tra circa -40 °C e 300 °C e in ambienti non particolarmente aggressivi dal punto di vista chimico. In pratica, ciò significa che laddove prevalgono i carichi meccanici e l’ambiente non richiede resistenza alla corrosione o al calore, il criterio di selezione di base è un insieme di proprietà meccaniche piuttosto che proprietà “speciali”.
Il parametro più frequentemente richiesto non è la “resistenza alla trazione” in sé, ma l’alto limite di snervamento, poiché questo determina se il componente inizierà a deformarsi in modo permanente sotto il carico di lavoro. Allo stesso tempo, gli elementi strutturali raramente operano in condizioni perfettamente statiche: nella realtà si verificano carichi variabili, urti e vibrazioni, motivo per cui la resistenza alla fatica e la resistenza alla frattura fragile sono molto importanti. In questo contesto, un concetto importante è la temperatura di transizione duttile-fragile (Tpk), perché a basse temperature l’acciaio può comportarsi in modo molto più fragile e quindi anche le concentrazioni di sollecitazioni locali (ad esempio, intagli, transizioni di sezione trasversale, difetti superficiali) diventano pericolose. Se un componente deve funzionare in condizioni di attrito e contatti scorrevoli o rotanti, è necessario che abbia un’elevata durezza e resistenza all’usura, solitamente ottenute producendo uno strato superficiale duro mantenendo un nucleo duttile.
È qui che possiamo capire perché gli acciai legati vengono spesso preferiti agli acciai al carbonio. L’acciaio al carbonio può raggiungere un’elevata durezza dopo la tempra, ma il suo principale limite è la bassa temprabilità, il che significa che con sezioni trasversali più grandi (il materiale specifica un limite di circa 25 mm), non è possibile ottenere uno stato di tempra uniforme su tutta la sezione trasversale. Di conseguenza, dopo la successiva tempra, il componente presenta proprietà diverse in superficie e nel nucleo, il che è particolarmente svantaggioso nelle strutture soggette a carichi dinamici. L’acciaio legato, grazie agli additivi, consente di ottenere una risposta più “prevedibile” e uniforme del materiale su tutta la sezione trasversale del componente.
Perché la lega funziona
Negli acciai strutturali, la lega è uno strumento che modifica principalmente la cinetica delle trasformazioni dell’austenite e quindi influenza la struttura ottenuta dopo il raffreddamento. L’effetto pratico più importante è un aumento della temprabilità, ovvero la capacità dell’acciaio di formare strutture di tempra (martensitiche o bainitiche) non solo in superficie ma anche in profondità all’interno del materiale. In pratica, ciò presenta due effetti chiave. In primo luogo, consente di temprare componenti più grandi in mezzi di raffreddamento più delicati (ad esempio, in olio anziché in acqua), riducendo il rischio di crepe e limitando la deformazione. In secondo luogo, consente la tempra a cuore dopo la tempra e il rinvenimento, ovvero un insieme di proprietà del nucleo e della superficie che sono uniformi in tutta la sezione trasversale.
Il secondo meccanismo importante è l’effetto degli additivi sulla frammentazione dei componenti strutturali e sul comportamento dell’acciaio durante la tempra. Una struttura più fine dopo la trasformazione dell’austenite surraffreddata comporta solitamente una maggiore resistenza, pur mantenendo una migliore resistenza alla frattura. Allo stesso tempo, molti additivi di lega fanno sì che l’acciaio “mantenga” le sue proprietà benefiche durante la tempra e non le perda così facilmente, poiché i processi di rammollimento sono ritardati o richiedono una temperatura più elevata. Questo è importante perché nella progettazione delle macchine non si tratta di ottenere la massima durezza, ma di un compromesso duraturo: elevata resistenza allo snervamento + resistenza all’urto + stabilità delle proprietà.
Per questo motivo, gli acciai legati vengono spesso utilizzati in uno stato trattato termicamente. La composizione chimica da sola raramente è sufficiente. Affinché l’acciaio possa funzionare come materiale strutturale altamente affidabile, nella pratica viene progettato l’intero pacchetto: selezione dell’acciaio + selezione del processo (normalizzazione, trattamento termico, carbocementazione, nitrurazione, tempra superficiale) + selezione dei parametri di raffreddamento e tempra. Solo allora la lega diventa un vero e proprio “controllo della struttura” e non solo l’aggiunta di elementi all’analisi chimica.
Acciai bassolegati con maggiore resistenza
Gli acciai bassolegati con resistenza aumentata, spesso utilizzati in stato normalizzato, occupano un posto importante tra gli acciai legati strutturali. La loro specificità risiede nel fatto che devono combinare una maggiore resistenza allo snervamento (il materiale indica un intervallo di circa 300-460 MPa) con una saldabilità pratica. Al fine di mantenere la saldabilità, il contenuto di carbonio è limitato: il materiale specifica che non deve superare circa lo 0,22%. Questo è molto importante: in questo gruppo, l’obiettivo non è quello di aumentare le proprietà “aumentando il carbonio”, ma controllando la struttura e utilizzando additivi di lega moderati.
Nello stato normalizzato esistono due “modelli” di microstruttura. Il primo è costituito dagli acciai perlitici con struttura ferritico-perlitica, in cui gli elementi di lega sono presenti nella soluzione solida nella ferrite o fanno parte dei carburi nella perlite. L’aumento della resistenza rispetto agli acciai al carbonio con contenuto di carbonio simile è dovuto al fatto che gli additivi induriscono la ferrite, favoriscono una maggiore percentuale di componenti più duri e favoriscono l’affinamento del grano. Gli additivi tipici di questo gruppo sono principalmente manganese, rame, silicio e alluminio e, in alcune varietà, anche vanadio e niobio; sono indicati anche gli intervalli tipici, compreso il manganese nell’intervallo 1,0-1,8% e il silicio nell’intervallo 0,20-0,60%.
Il secondo modello è costituito dagli acciai bainitici, che in uno stato normalizzato ottengono una struttura bainitica grazie a una serie di additivi che ritardano le trasformazioni di diffusione e favoriscono la formazione di bainite durante il raffreddamento. Il materiale rileva che questo gruppo può contenere piccole quantità di additivi come molibdeno e boro, nonché additivi che influenzano la cinetica delle trasformazioni, come manganese e cromo, che consentono di ottenere livelli di resistenza molto elevati anche se raffreddati in aria (il materiale fornisce un intervallo di 1100-1200 MPa). Ciò dimostra la logica di questa famiglia di materiali: la saldabilità è mantenuta grazie al basso contenuto di carbonio e la “resistenza” è fornita dalla struttura ottenuta mediante normalizzazione, supportata da una lega appropriata.
Acciai per cementazione e tempra superficiale
Gli acciai per la cementazione vengono selezionati principalmente in base al fatto che il componente deve avere uno strato superficiale molto duro, mentre il nucleo deve mantenere duttilità e resistenza alla fessurazione. Si tratta quindi di acciai con un basso contenuto di carbonio nel nucleo; il materiale è tipicamente compreso nell’intervallo circa 0,14-0,25% C. La logica tecnologica è semplice: il nucleo rimane “morbido” (meno fragile) e l’elevata durezza si manifesta solo nella zona superficiale, dove il carbonio è stato introdotto durante il processo di cementazione, e questo strato viene quindi indurito.
È possibile carbocementare gli acciai al carbonio, ma il materiale sottolinea che questa soluzione ha senso principalmente per componenti di piccole dimensioni con sezioni trasversali ridotte o dove la resistenza all’abrasione è importante ma non è richiesta un’elevata resistenza interna. Con sezioni trasversali più grandi, l’acciaio al carbonio può fornire una superficie dura, ma il nucleo non raggiunge la resistenza desiderata perché il componente non si indurisce nella sezione trasversale. Inoltre, per garantire la durezza dello strato nell’acciaio al carbonio, è spesso necessario un raffreddamento più rapido, che aumenta la deformazione e il rischio di crepe.
Pertanto, nella pratica, prevalgono gli acciai legati per la cementazione, poiché gli additivi legati garantiscono una maggiore temprabilità e consentono di ottenere proprietà favorevoli non solo dello strato, ma anche del nucleo, spesso quando vengono temprati in olio. Il materiale richiama l’attenzione su un limite importante: un’eccessiva lega, specialmente in uno strato con un maggiore contenuto di carbonio, può favorire la formazione di più austenite residua, che a sua volta può ridurre la durezza dello strato cementato. Si tratta di una conclusione pratica importante, poiché dimostra che la cementazione non consiste nel massimizzare gli additivi, ma nella loro selezione ottimale.
L’articolo sottolinea il ruolo del cromo, presente praticamente in tutti gli acciai per la cementazione, solitamente in quantità comprese tra l’1 e il 2%, poiché aumenta efficacemente la temprabilità e facilita la formazione di uno strato duro durante il raffreddamento in olio. Un ulteriore miglioramento della temprabilità e delle proprietà del nucleo si ottiene aggiungendo nichel, motivo per cui i componenti importanti sono spesso realizzati in acciai al cromo-nichel. Allo stesso tempo, si sottolinea che il nichel è un componente scarso, quindi il suo utilizzo è giustificato da esigenze operative piuttosto che da “consuetudini”. In pratica, vengono utilizzate anche soluzioni di manganese, ma in tal caso è necessario controllare i fenomeni avversi (ad esempio, quelli relativi al grano) e vengono utilizzati additivi come il molibdeno o il titanio come ausili per migliorare le proprietà e favorire la frammentazione.
Gli acciai per la tempra superficiale vengono selezionati seguendo una logica simile, dove l’obiettivo è quello di ottenere una superficie dura con un nucleo resistente. Il materiale indica spesso un intervallo di contenuto di carbonio compreso tra 0,4-0,6% per gli acciai utilizzati per questo tipo di trattamento e, in caso di requisiti più elevati per le proprietà del nucleo (soprattutto nelle sezioni trasversali più grandi), la prassi consiste nell’eseguire prima il trattamento termico dell’intero elemento e solo successivamente l’indurimento superficiale.
Acciai per trattamenti termici e gruppi specializzati
Gli acciai per trattamento termico sono progettati per ottenere un compromesso molto favorevole dopo la tempra e il rinvenimento: elevata resistenza e limite di snervamento, pur mantenendo la duttilità e la resistenza agli urti.
Il trattamento termico (tempra + rinvenimento) porta alla formazione di strutture sorbitiche ed è il metodo base per ottenere proprietà elevate nei componenti delle macchine. Il materiale indica che le temperature tipiche di rinvenimento sono comprese tra circa 500 e 700 °C e che i livelli delle proprietà possono raggiungere Rm 750-1500 MPa e Re 550-1350 MPa. È inoltre fondamentale che l’acciaio legato consenta di ottenere questo stato in tutto il suo spessore con sezioni trasversali più grandi, mentre gli acciai al carbonio sono solitamente sufficienti principalmente per sezioni trasversali fino a circa 20-25 mm.
In questo gruppo di parametri di processo, la selezione non viene effettuata “alla cieca”, poiché la tempra è un compromesso: una temperatura più elevata di solito migliora la plasticità a scapito della resistenza, mentre una temperatura più bassa conferisce una maggiore resistenza a scapito di una maggiore sensibilità alla fessurazione. Il materiale evidenzia anche il fenomeno della fragilità da tempra, che si manifesta con una diminuzione della resistenza all’urto in determinati intervalli di temperatura. È stata identificata una caratteristica diminuzione intorno ai 300 °C e una seconda diminuzione al di sopra dei 500 °C, per cui in quest’ultimo caso è importante dal punto di vista pratico che la velocità di raffreddamento dopo la tempra sia significativa: il raffreddamento accelerato (ad esempio in acqua o olio) può ridurre l’effetto negativo rispetto al raffreddamento lento. Ciò dimostra che la “temperatura di rinvenimento” non è l’unica variabile: anche il modo in cui il processo viene completato è importante.
Per quanto riguarda la lega negli acciai per il trattamento termico, il materiale sottolinea il ruolo di additivi quali cromo (aumenta la temprabilità e influisce sul comportamento di rinvenimento), molibdeno (aiuta a ridurre alcuni effetti negativi, tra cui la tendenza alla fragilità da tempra, e aumenta la temprabilità) e nichel, particolarmente prezioso perché aumenta la temprabilità e migliora le proprietà plastiche, oltre ad abbassare la temperatura di transizione duttile-fragile, importante quando si lavora a temperature ridotte.
Il materiale indica che gli acciai al cromo-nichel sono tra i migliori in questo gruppo, sebbene richiedano il controllo dei fenomeni legati alla tempra, da cui la pratica di aggiungere molibdeno e talvolta anche vanadio.
Oltre agli acciai per rinforzo, esistono gruppi di acciai legati strutturali con una funzione abbastanza chiaramente definita. Gli acciai per nitrurazione sono selezionati per produrre uno strato duro di nitruri; pertanto, vengono utilizzati additivi quali alluminio, cromo e molibdeno e il processo è solitamente preceduto da un trattamento termico, con la tempera che deve essere superiore alla temperatura di nitrurazione in modo che il nucleo non cambi la sua struttura durante la nitrurazione stessa. Gli acciai per molle sono progettati per un elevato limite elastico e una lunga durata a fatica; il materiale enfatizza il ruolo del silicio e l’importanza della qualità della superficie (l’ossidazione e la decarburazione compromettono gravemente la durata a fatica) e la lavorazione tipica include la tempra e il rinvenimento per mantenere un’elevata resistenza. Gli acciai per cuscinetti devono fornire una durezza molto elevata e una resistenza all’abrasione e alle pressioni di contatto, e il materiale si riferisce al tipico acciaio ad alto tenore di carbonio e cromo e alla lavorazione tipica: tempra in olio e bassa rinvenitura a circa 180 °C per ottenere strutture a grana fine con carburi fini.
Il materiale indica anche soluzioni più specializzate, ma sempre nell’ambito “strutturale” in senso lato. Gli acciai maraging (leghe di ferro con nichel) formano martensite duttile dopo l’indurimento e raggiungono un’elevata resistenza solo dopo l’invecchiamento, quando compaiono precipitati di fase intermetallica; questo è il percorso per ottenere proprietà eccezionali a un costo elevato. A sua volta, il trattamento termico e plastico combina la deformazione plastica dell’austenite con l’indurimento, in modo che la martensite “erediti” una struttura di dislocazione più densa e una frammentazione, che si traduce in un aumento significativo della resistenza (il materiale afferma che tale aumento può variare da alcuni a diverse decine di punti percentuali), ma rende difficile la successiva lavorazione.
Acciai strutturali legati – sintesi
Gli acciai strutturali legati vengono utilizzati quando è necessario ottenere determinate proprietà meccaniche ripetibili in condizioni operative tipiche e allo stesso tempo mantenere la sicurezza del componente sotto carichi variabili. Il loro vantaggio rispetto agli acciai al carbonio è dovuto principalmente alla loro maggiore temprabilità, che consente il trattamento termico e la modellazione delle proprietà su sezioni trasversali più grandi, spesso con un raffreddamento più delicato e quindi con un minor rischio di crepe e deformazioni. In pratica, la scelta dell’acciaio strutturale legato è la scelta dell’intero sistema: composizione + tipo di trattamento termico (normalizzazione, affinamento, cementazione, nitrurazione, tempra superficiale) + parametri di processo, perché solo questo insieme determina la microstruttura, e la microstruttura determina le proprietà.
All’interno di questo gruppo spiccano: acciai normalizzati a bassa lega (dove sono fondamentali la saldabilità e la resistenza allo snervamento), acciai per cementazione e tempra superficiale (dove sono importanti uno strato duro e un nucleo duttile, con il controllo di fenomeni quali l’austenite residua), acciai per trattamento termico (dove è fondamentale il compromesso tra proprietà e selezione consapevole della tempra, compresa la considerazione della fragilità da tempra) e gruppi specializzati come acciai per nitrurazione, acciai per molle e acciai per cuscinetti.
