Gliacciai legati sono particolariacciai in cui sono presenti altri elementi oltre aferro ecarbonio, al fine di migliorarne le caratteristiche chimico-fisiche.
La normativa definisce acciai legati quelle leghe Fe-C nei quali almeno uno dei tenori degli elementi di lega supera il limite indicato nel prospetto I della UNI EN 10020.
Per convenzione gli acciai legati si suddividono in:
Vari elementi inlega con il ferro ne influenzano leproprietà, alcuni in maniera positiva, altri in maniera negativa. La possibilità di legare l'acciaio con altri elementi lo rende un materiale estremamente versatile.
La tabella seguente riporta la designazioneAISI-SAE dei principali acciai legati (la maggior parte bassolegati[1]), con le rispettive percentuali di elementi alliganti:[2][3]
| Designazione SAE | Denominazione | Composizione |
|---|---|---|
| 13xx | Acciai al manganese | Mn 1,75% |
| 23xx | Acciai al nichel | Ni 3,50% |
| 25xx | Acciai al nichel | Ni 5,00% |
| 31xx | Acciai al nichel-cromo | Ni 1,25%, Cr 0,65% oppure 0,80% |
| 32xx | Acciai al nichel-cromo | Ni 1,75%, Cr 1,07% |
| 33xx | Acciai al nichel-cromo | Ni 3,50%, Cr 1,50% oppure 1,57% |
| 34xx | Acciai al nichel-cromo | Ni 3,00%, Cr 0,77% |
| 40xx | Acciai al molibdeno | Mo 0,20% oppure 0,25% oppure 0,25% Mo e 0,042% S |
| 41xx | Acciai al cromo-molibdeno | Cr 0,50% oppure 0,80% oppure 0,95%, Mo 0,12% oppure 0,20% oppure 0,25% oppure 0,30% |
| 43xx | Acciai al cromo-molibdeno-nichel | Ni 1,82%, Cr 0,50% ÷ 0,80%, Mo 0,25% |
| 43BVxx | Acciai al cromo-molibdeno-nichel | Ni 1,82%, Cr 0,50%, Mo 0,12% oppure 0,25%, V 0,03% minimo |
| 44xx | Acciai al molibdeno | Mo 0,40% oppure 0,52% |
| 46xx | Acciai al nichel-molibdeno | Ni 0,85% oppure 1,82%, Mo 0,20% oppure 0,25% |
| 47xx | Acciai al cromo-molibdeno-nichel | Ni 1,05%, Cr 0,45%, Mo 0,20% oppure 0,35% |
| 48xx | Acciai al nichel-molibdeno | Ni 3,50%, Mo 0,25% |
| 50xx | Acciai al cromo | Cr 0,27% oppure 0,40% oppure 0,50% or 0,65% |
| 50xxx | Acciai al cromo | Cr 0,50%, C 1,00% minimo |
| 50Bxx | Cr 0,28% oppure 0,50% | |
| 51xx | Acciai al cromo | Cr 0,80% oppure 0,87% oppure 0,92% oppure 0,95% oppure 1,00% oppure 1,05% |
| 51xxx | Acciai al cromo | Cr 1,02%, C 1,00% minimo |
| 51Bxx | Cr 0,80% | |
| 52xxx | Acciai al cromo | Cr 1,45%, C 1,00% minimo |
| 61xx | Acciai al cromo-vanadio | Cr 0,60% oppure 0,80% oppure 0,95%, V 0,10% oppure 0,15% minimo |
| 72xx | Acciai al cromo-tungsteno | W 1,75%, Cr 0,75% |
| 81xx | Acciai al cromo-molibdeno-nichel | Ni 0,30%, Cr 0,40%, Mo 0,12% |
| 86xx | Acciai al cromo-molibdeno-nichel | Ni 0,55%, Cr 0,50%, Mo 0,20% |
| 87xx | Acciai al cromo-molibdeno-nichel | Ni 0,55%, Cr 0,50%, Mo 0,25% |
| 88xx | Acciai al cromo-molibdeno-nichel | Ni 0,55%, Cr 0,50%, Mo 0,35% |
| 9xx | Acciai legati ad alta resistenza | varie composizioni |
| 92xx | Acciai al silicio-manganese | Si 1,40% oppure 2,00%, Mn 0,65% oppure 0,82% oppure 0,85%, Cr 0,00% oppure 0,65% |
| 93xx | Acciai al cromo-molibdeno-nichel | Ni 3,25%, Cr 1,20%, Mo 0,12% |
| 94xx | Acciai al cromo-molibdeno-nichel | Ni 0,45%, Cr 0,40%, Mo 0,12% |
| 94Bxx | Ni 0,45%, Cr 0,40%, Mo 0,12% | |
| 97xx | Acciai al cromo-molibdeno-nichel | Ni 1,00%, Cr 0,20%, Mo 0,20% |
| 98xx | Acciai al cromo-molibdeno-nichel | Ni 1,00%, Cr 0,80%, Mo 0,25% |
L'effetto primario delnichel come legante è la forte variazione delcoefficiente di dilatazione termica: l'acciaio al nichel più comune ha un tenore di nichel del 36% ed è noto anche comeacciaio INVAR, perché ha un coefficiente di dilatazione termica estremamente ridotto. Si produce anche un acciaio con il 20% di nichel, che invece ha un coefficiente di dilatazione termica estremamente elevato, e si usa accoppiarlo con l'INVAR per produrre lelamine bimetalliche, che si incurvano moltissimo al variare della temperatura e sono usate per esempio negli interruttori elettrici di sicurezza.
Tutte le proprietà subiscono forti oscillazioni. Tre sono i tenori ai quali appaiono le più importanti anomalie:
Con l'aggiunta ilcoefficiente di dilatazione termica alfa cresce dal valore 12E-6 del Fe al max 20E-6 (comune atutte le strutture austenitiche), poi cade a 2E-6 al 36% di Ni, e poi si stabilizza al 13E-6 del nichel puro. Quindi con la scelta opportuna della % si possono ottenere molti valori del coefficiente:
Il C allarga il campo di esistenza dell'austenite e quindi accentua l'effetto del Ni di abbassare i punti critici (rende quindi possibile l'austenite a temperatura ambiente). Può essere aggiunto in qualsiasi momento del processo perché non prende parte a nessuna reazione. Si trova disciolto tutto in austenite oferrite perché non forma carburi stabili.
Il manganese è solubile nel ferro in tutte le proporzioni. Piccole concentrazioni di manganese (0,3%) sono sempre presenti nell'acciaio, in quanto esso viene usato come deossidante e desolforante; l'accezione "acciai al Mn" si riferisce quindi ad una percentuale di manganese almeno pari all'1%.
Ilmanganese aumenta la penetrazione della tempra negli acciai, ma diminuisce laresilienza rendendoli più fragili se non si usano opportune precauzioni durante il trattamento termico dirinvenimento.Il manganese aumenta in generale ladurezza e la resistenza all'usura. L'aumento di durezza e di caratteristiche meccaniche (con bassa diminuzione di tenacità) avviene in esercizio: il plasticoreticolo CFC (cubico a facce centrate) permette infatti un forte incrudimento per bassi carichi (anche impulsivi). Ciò li rende adatti all'uso nelle casseforti.
Inoltre, gli acciai al manganese sono spesso usati nella costruzione di pezzi di grosse dimensioni, dove sono richieste elevate caratteristiche meccaniche anche in zone molto profonde del pezzo.
Il manganese influenza i valori dei punti critici in modo analogo al nickel, quindi è sufficiente una concentrazione del 12% per avere austenite a temperatura ambiente.
Non viene mai usata la strutturamartensitica di questi acciai, perché troppo fragile.
Ilcobalto non si ossida e viene aggiunto in ogni momento. Il solo elemento che aumenta la velocità critica e quindi diminuisce la penetrazione della tempra. Rende più stabile la martensite quindi rende meno sensibile la lega al rinvenimento. La lavorabilità a caldo è ridotta.
Ilrame aggiunto in qualunque momento e lo si ritrova tutto nell'acciaio a fine colata (rottami devono essere esenti da rame se non lo si vuole). Lieve miglioramento delle caratteristiche meccaniche per il segregamento a bordo grano. Saldabilità fino a 0,6% e lavorabilità a caldo fino a 1,7%. 0,30% per resistenza agli agenti atmosferici.
Con l'azoto si ha una specifica azione sul fenomeno dell'invecchiamento (vedi), stabilizza l'austenite (allarga il campo).
Potente deossidante (come Si), bisogna evitarne l'ossidazione (l'allumina come inclusionemetallica è dannosa). Favorisce la separazione della grafite e ostacola la diffusione del C. Con l'azoto fa nitruri durissimi (acciai da nitrurazione). Da resistenza all'ossidazione a caldo e alta resistività (resistenze elettriche a caldo). Peggiora la saldabilità.
Ilcromo aumenta la durezza e il limite di elasticità dell'acciaio. In quantità maggiori del 12% (in realtà la percentuale è un po' più alta perché dipende anche dagli altri elementi di lega) il cromo rende l'acciaio inossidabile e resistente agli agenti chimici.
Gli acciai al cromo sono usati per cuscinetti, valvole di motore a combustione, parti di impianti termici e chimici.
Il cromo tende ad ossidarsi, va aggiunto perciò nel periodo riducente. Ha elevata tendenza a formare carburi.
Ilmolibdeno aumenta la penetrazione degli effetti della tempra negli acciai e mantiene le caratteristiche meccaniche dellatempra anche a temperature elevate.
Il molibdeno appartiene allo stesso gruppo del cromo, per cui forma carburi complessi molto duri e stabili. Aggiunto in qualunque momento come il Ni. Il 3% di Mo chiude il campo di esistenza dell'austenite. La sua solubilità nel ferro è limitata: al 10% si comincia a vedere il composto Fe3MO2.
L'acciaio al cromo-molibdeno, presenta i vantaggi apportati sia dal cromo che dal molibdeno, conferendo elevate doti di temperabilità e durezza. I componenti principali sono il cromo e il molibdeno. Rispetto ad un acciaio non legato, presenta maggiore resistenza ai carichi, minore peso specifico, e migliore resistenza alla trazione. Viene impiegato nella costruzione di telai ciclistici e motociclistici, in genere come acciaio DIN (denominazione ASTM: 4130, avente composizione: Cr 1%, Mo 0,3%, C 0,3%, fosforo e silicio in minime parti.).Contrariamente a quanto si può pensare gli acciai al Cr-Mo non sono apprezzati solo per la loro resistenza a temperatura ambiente, infatti con questi acciai si realizzano tubazioni e recipienti per alte temperature in quanto hanno un'ottima resistenza allo scorrimento viscoso (creep) conferitogli dalla presenza del Mo in forma sostituzionale nella matrice di Fe e dalla presenza di carburi dispersi di Mo e di Cr, e per alcune leghe anche di Vanadio.
Gli acciai alnichel-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, catene antifurto.
Un esempio di acciaio al nichel-cromo-molibdeno è l'acciaio 42NiCrMo4.
È un acciaio dolce a basso tenore di carbonio, con circa l'1% disilicio: molto duro, ha una notevole resistenza allafatica e un limite disnervamento 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 latempra; difficile anche dazincare o dacromare.
Inoltre l'aggiunta di silicio aumenta moltissimo laresistenza elettrica e lapermeabilità magnetica del materiale, il che lo rende ottimo per la costruzione di circuiti magnetici ditrasformatori e di macchine elettriche rotanti. È commercializzato sotto forma di lamierini laminati a freddo ericotti per orientare i grani microscopici che formano i domini magnetici. Per questi usi si aumenta il tenore di silicio al 3-4%, ottenendo il cosiddettoacciaio magnetico.
Il silicio ha una notevole influenza sulle proprietà elettriche e magnetiche dell'acciaio. È importante nella produzione come ilMn quindi sempre presente (acciai al Si solo con 1%). Tende a separare la grafite anche con basse % di C.
Iltitanio appartiene al gruppo del cromo; chiude il campo dell'austenite con 1%. Dà facilmente indurimento per precipitazione, è quello che ha maggior tendenza a dare carburi. Ha molta affinità con ossigeno e azoto (usato come deossidante e deazoturante).Il titanio tende fortemente a formare carburi sottraendo C alla matrice.è usato per gli acciai inossidabili ferritici in quanto chiude il campo della fase Gamma con l'1% in massa. Per lo stesso motivo non viene generalmente usato negli acciai austenitici.
il vanadio è del gruppo del cromo (1% chiude austenite). Deossidante (va aggiunto in secchia). Forma tanti carburi, quindi sottrae C dalla matrice (diminuisce indirettamente la temprabilità). Aumenta la stabilità a caldo (stabilità tagliente acciai rapidi).
Ilvanadio, insieme al tungsteno, conferisce agli acciai estrema durezza anche a temperature elevate. Si distinguono gli acciai al vanadio-tungsteno, dettiacciai rapidi, e gli acciai al vanadio-tungsteno-cobalto, dettiacciai super-rapidi, per le superiori velocità di taglio che questi ultimi possono sopportare. Vengono usati per costruire utensili da tornio,fresa,trapano.
Iltungsteno limita la conducibilità termica dell'acciaio; per il resto i suoi effetti sono simili a quelli del molibdeno.Aggiungendo il 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:
È un acciaio dolce per usi generici, con piccole quantità dipiombo,bismuto,tellurio ozolfo; la sua caratteristica più importante è la truciolabilità e l'ottima lavorabilità con macchine utensili (da qui la denominazioneautomatico).Viene anche denominato con la siglaAVP (Alta Velocità Piombo), proprio per la sua elevata lavorabilità.
Introdotto di recente negli acciai speciali da costruzione per aumentare la temprabilità degliacciai bassolegati mantenendo bassi costi. Evitare i composti con l'azoto per mantenere tenacità, (vanno usati deazoturanti come il Ti o un processo sottovuoto). Usato nella bulloneria ad alta resistenza.
Ilcerio viene, di norma, utilizzato come agente indurente precipitante negli acciai inossidabili sottoposti ad invecchiamento.
Aggiunto solo negli acciai automatici insieme a manganese, altrimenti è un'impurezza. Dafragilità al rosso (o a caldo): c'è un eutettico tra il ferro ed il solfuro di ferro che fonde a 988 °C e si deposita poi in solidificazione a BDG (bordo di grano), quindi poi alle temperature di lavorazione l'acciaio si disgrega. Se ci sono altri elementi forma con loro composti ancora più bassofondenti.Peggiora le caratteristiche meccaniche, tende a segregarsi nella zona centrale del lingotto e diffonde difficilmente, si rimuove con difficoltà. Quasi completamente immiscibile nel ferro, quindi sotto forma di inclusioni sulfuree.
Con lo 0,2% di fosforo laresilienza diviene praticamente zero.
Elemento più dannoso, piccolissima solubilità nel ferro, tutto l'ossigeno presente è sotto forma di inclusioni.
Influenza negativa sulle caratteristiche meccaniche, anche per poche percentuali.formazione di difetti: diffonde allo stato atomico nell'acciaio, incontrate delle fessure ritornamolecolare e produce i fiocchi (steel bows). Si formano quando la pressione dell'idrogeno supera la coesione dell'acciaio (tra i 100 ed i 300 °C). Esistono delle norme per prevenire ed eliminare l'idrogeno nell'acciaio facendolo diffondere all'esterno: consistono in lunghi mantenimenti alla temperatura in cui la solubilità dell'idrogeno è piccola ma vi è comunque diffusione (quindi i fiocchi non si trovano mai vicino alla superficie perché lì l'idrogeno è potuto uscire).
Il danneggiamento della matrice dipende dalla loro forma e dalle loro caratteristiche meccaniche, quindi se in stato di fabbricazione sono fusibili o no, dal trattamento che subiscono poi, laminazioni, i più pericolosi sono quelli che sono in cristalli con spigoli vivi perché sono sempre solide, provocano delle lacerazioni importanti.Le inclusioni possono però essere anche usate, per controllare la crescita dei grani o per condizionare la morfologia della struttura.
Gliacciai debolmente legati ad alta resistenza oHSLA (High-Strength-Low-Alloy): rappresentano una tipologia di acciai legati contenente solo piccole quantità di altri elementi quali ilvanadio, e quindi risultano in generale più economici dei normali acciai legati.
Vengono prodotti con particolari procedure, capaci di conferire loro una resistenza meccanica, anche alle basse temperature, e una resistenza allacorrosione superiori a quelle degliacciai al carbonio.
| Controllo di autorità | NDL(EN, JA) 00573217 |
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