Classificazione e standard dell'acciaio in Cina
Perché i diversi tipi di acciaio hanno proprietà così diverse e come vengono classificati in Cina? Questo articolo analizza la classificazione e gli standard dell'acciaio, spiegando la sistematica...
Sapevate che piccoli elementi nascosti nell'acciaio possono cambiarne drasticamente le prestazioni? Questo blog si addentra nell'affascinante mondo degli elementi di lega, rivelando come l'idrogeno, il boro, il carbonio, l'azoto, l'ossigeno, il magnesio, l'alluminio e il silicio modellino la resistenza, la durata e l'utilizzabilità dell'acciaio. Preparatevi a scoprire i segreti di questi componenti cruciali e i loro sorprendenti effetti sull'acciaio.
L'idrogeno è ampiamente riconosciuto come l'elemento più dannoso per l'acciaio, la cui presenza può portare all'infragilimento da idrogeno e alla formazione di punti bianchi, entrambi elementi che compromettono in modo significativo la qualità e le prestazioni dell'acciaio.
Come l'ossigeno e l'azoto, l'idrogeno presenta una solubilità estremamente bassa nell'acciaio solido. Durante i processi siderurgici ad alta temperatura, l'idrogeno può dissolversi nell'acciaio liquido. Se non viene gestito correttamente, può rimanere intrappolato durante il rapido raffreddamento, accumulandosi nella microstruttura e formando micropori ad alta pressione. Questo fenomeno può ridurre drasticamente la plasticità, la tenacità e la resistenza alla fatica dell'acciaio, causando potenzialmente gravi cricche e fratture fragili catastrofiche.
La suscettibilità all'infragilimento da idrogeno varia a seconda della microstruttura dell'acciaio. Gli acciai martensitici sono particolarmente vulnerabili, mentre gli acciai ferritici mostrano generalmente una maggiore resistenza. La gravità dell'infragilimento da idrogeno aumenta in genere con l'aumentare dei livelli di durezza e del contenuto di carbonio, evidenziando l'importanza di un'attenta selezione dei materiali e dei processi di trattamento termico in ambienti ricchi di idrogeno.
È interessante notare che, sebbene gli effetti dell'idrogeno siano prevalentemente negativi, esso può migliorare alcune proprietà magnetiche dell'acciaio. In particolare, l'idrogeno migliora la permeabilità magnetica, che può essere vantaggiosa in alcune applicazioni elettromagnetiche. Tuttavia, ciò avviene al prezzo di un aumento della coercitività e delle perdite di ferro. Gli studi hanno dimostrato che l'aggiunta di idrogeno può aumentare la coercitività di un fattore compreso tra 0,5 e 2, rendendo necessario un delicato equilibrio nella progettazione dell'acciaio magnetico.
Per mitigare i problemi legati all'idrogeno, i produttori di acciaio impiegano varie strategie come il degasaggio sotto vuoto, il raffreddamento controllato e i trattamenti termici post-produzione. I metodi avanzati di controllo non distruttivo, come le sonde a idrogeno e le tecniche a ultrasuoni, sono fondamentali per rilevare i difetti indotti dall'idrogeno e garantire l'integrità dell'acciaio nelle applicazioni critiche.
La funzione principale del boro nell'acciaio è quella di aumentarne significativamente la temprabilità, consentendo di ridurre l'uso di altri elementi di lega come nichel, cromo e molibdeno. In genere, il boro viene aggiunto in concentrazioni che vanno da 0,001% a 0,005%; questa piccola quantità può sostituire 1,6% di nichel, 0,3% di cromo o 0,2% di molibdeno.
Quando si considera il boro come sostituto del molibdeno, è fondamentale notare che mentre il molibdeno attenua l'infragilimento da tempra, il boro può favorirlo leggermente. Di conseguenza, non è consigliabile sostituire completamente il molibdeno con il boro.
L'aggiunta di boro all'acciaio al carbonio migliora sensibilmente la temprabilità, aumentando in particolare le prestazioni delle sezioni di acciaio di spessore superiore a 20 mm. Questa proprietà consente agli acciai 40B e 40MnB di fungere da valide alternative all'acciaio 40Cr, mentre l'acciaio 20Mn2TiB può sostituire efficacemente il 20CrMnTi nelle applicazioni di carburazione.
Tuttavia, l'efficacia del boro diminuisce con l'aumentare del contenuto di carbonio nell'acciaio. Questo fenomeno è particolarmente rilevante quando si scelgono acciai da carburazione contenenti boro, poiché la temprabilità dello strato carburato dopo il trattamento sarà inferiore a quella del materiale principale.
Per le applicazioni di acciaio per molle, dove è generalmente richiesta la tempra completa, l'acciaio al boro rappresenta un'opzione eccellente grazie alla sezione trasversale compatta della molla. Tuttavia, è necessario prestare attenzione quando si considera l'aggiunta di boro agli acciai per molle ad alto tenore di silicio, poiché l'interazione può portare a risultati imprevedibili.
Il boro presenta inoltre una forte affinità con l'azoto e l'ossigeno. Negli acciai da rivestimento, l'aggiunta di appena 0,007% di boro può eliminare efficacemente gli effetti dell'invecchiamento, migliorando la stabilità a lungo termine dell'acciaio.
Per ottimizzare i benefici del boro nell'acciaio, è essenziale un controllo preciso della composizione e dei parametri di lavorazione. Per mantenere il contenuto e la distribuzione desiderati di boro all'interno della matrice dell'acciaio, si possono utilizzare tecniche avanzate come il degasaggio sotto vuoto e il trattamento termico in atmosfera protettiva.
Il carbonio è l'elemento di lega più critico dell'acciaio dopo il ferro e ne influenza profondamente le proprietà meccaniche, la microstruttura e le caratteristiche di lavorazione. Il contenuto di carbonio influisce direttamente sulla resistenza, la duttilità, la tenacità e la saldabilità dell'acciaio, rendendolo un fattore cruciale nella selezione dei materiali e nei processi di produzione.
Negli acciai ipoeutettoidi (contenuto di carbonio inferiore a 0,8%), l'aumento del contenuto di carbonio porta a una maggiore resistenza e durezza grazie alla formazione di perlite e all'effetto rinforzante degli atomi di carbonio interstiziali. Tuttavia, ciò avviene al prezzo di una riduzione della duttilità e della tenacità all'impatto, poiché la microstruttura dell'acciaio diventa meno malleabile.
Al contrario, negli acciai ipereutettoidi (contenuto di carbonio superiore a 1,0%), un ulteriore aumento del contenuto di carbonio determina una diminuzione della resistenza. Questo fenomeno si verifica a causa della formazione di una rete di cementite fragile lungo i confini dei grani di austenite precedenti, che possono fungere da siti di innesco di cricche sotto sforzo.
La saldabilità dell'acciaio è significativamente influenzata dal contenuto di carbonio, con una notevole diminuzione della saldabilità osservata quando i livelli di carbonio superano 0,3%. Questa riduzione è dovuta principalmente all'aumento della tempra e della suscettibilità alle cricche da freddo nella zona termicamente interessata. Con l'aumento del tenore di carbonio, l'acciaio diventa anche più incline all'infragilimento da freddo e all'invecchiamento da deformazione, mentre la sua resistenza alla corrosione atmosferica diminuisce a causa della formazione di carburi di ferro che possono agire come catodi locali, accelerando il processo di corrosione.
L'influenza dell'azoto (N) sulle prestazioni dell'acciaio è multiforme e presenta analogie con il carbonio e il fosforo. L'aumento del contenuto di azoto aumenta significativamente la resistenza dell'acciaio, riducendo al contempo la plasticità, con un impatto particolare sulla tenacità e sulla saldabilità. Inoltre, l'azoto contribuisce ad aumentare la fragilità a freddo dell'acciaio.
Elevati livelli di azoto aggravano la tendenza all'invecchiamento, la fragilità a freddo e a caldo e influiscono negativamente sulle proprietà di saldatura e piegatura a freddo. Di conseguenza, ridurre e controllare il contenuto di azoto nell'acciaio è fondamentale per mantenere le caratteristiche di prestazione ottimali.
Gli standard industriali raccomandano di limitare il contenuto di azoto a non più di 0,018% nella maggior parte degli acciai. Tuttavia, se combinato strategicamente con elementi come l'alluminio, il niobio o il vanadio, gli effetti negativi dell'azoto possono essere mitigati e le prestazioni dell'acciaio possono essere migliorate. Questa interazione sinergica consente all'azoto di fungere da elemento di lega vantaggioso in alcuni acciai basso-legati.
In specifiche composizioni di acciaio inossidabile, l'aggiunta controllata di azoto può sostituire parzialmente il cromo, riducendo efficacemente i costi del materiale senza compromettere le prestazioni. Ad esempio, negli acciai inossidabili austenitici, l'azoto agisce come stabilizzatore dell'austenite e contribuisce al rafforzamento della soluzione solida, consentendo di ridurre il contenuto di nichel.
È importante notare che il controllo preciso dei livelli di azoto e della sua interazione con altri elementi di lega è fondamentale per ottenere l'equilibrio desiderato delle proprietà nella produzione dell'acciaio. Le tecniche avanzate di produzione dell'acciaio, come il degasaggio sotto vuoto e il raffreddamento controllato, svolgono un ruolo fondamentale nella gestione del contenuto di azoto e nell'ottimizzazione delle prestazioni dell'acciaio in varie applicazioni.
L'ossigeno svolge un ruolo fondamentale nella produzione dell'acciaio, ma la sua presenza può avere effetti dannosi sul prodotto finale. È intrinsecamente presente durante la produzione dell'acciaio e, nonostante gli sforzi di disossidazione con l'utilizzo di elementi come manganese, silicio, ferro e alluminio nelle fasi finali, la sua completa rimozione rimane irraggiungibile.
Durante la solidificazione, l'ossigeno disciolto reagisce con il carbonio presente nell'acciaio fuso, formando monossido di carbonio. Questa reazione può portare alla formazione di porosità gassose o soffiature, compromettendo l'integrità strutturale dell'acciaio.
Nell'acciaio, l'ossigeno è presente soprattutto sotto forma di inclusioni di ossidi, come FeO (ossido di ferro), MnO (ossido di manganese), SiO2 (biossido di silicio) e Al2O3 (ossido di alluminio). Queste inclusioni non metalliche agiscono come concentratori di stress, riducendo le proprietà meccaniche dell'acciaio, in particolare la sua resistenza e duttilità. La presenza di questi ossidi influisce significativamente sulla resistenza alla fatica e sulla tenacità, fattori cruciali in molte applicazioni ingegneristiche.
Negli acciai elettrici, in particolare negli acciai al silicio utilizzati nei trasformatori e nei motori elettrici, il contenuto di ossigeno ha effetti pronunciati. Aumenta le perdite di ferro, riducendo così l'efficienza energetica. L'ossigeno riduce anche la permeabilità magnetica e la magnetizzazione di saturazione, parametri chiave per le prestazioni elettromagnetiche. Inoltre, accelera l'invecchiamento magnetico, una degradazione delle proprietà magnetiche dipendente dal tempo, che può ridurre la durata operativa dei componenti elettrici.
Il magnesio (Mg) svolge un ruolo cruciale nel migliorare la qualità e le prestazioni dell'acciaio, in particolare nel controllo delle inclusioni e nel potenziamento delle proprietà meccaniche. Se aggiunto in quantità precise, il magnesio può modificare significativamente la microstruttura dell'acciaio, portando a caratteristiche superiori del materiale.
Nella produzione dell'acciaio, il magnesio agisce come potente disossidante e desolforatore. Riduce efficacemente il numero di inclusioni non metalliche, ne diminuisce le dimensioni, favorisce una distribuzione più uniforme nella matrice dell'acciaio e ne modifica la morfologia in forme più favorevoli. Questi miglioramenti nelle caratteristiche delle inclusioni contribuiscono a migliorare la pulizia dell'acciaio e le prestazioni generali del materiale.
Per gli acciai per cuscinetti, che richiedono una pulizia eccezionale e una microstruttura uniforme, l'aggiunta di tracce di magnesio ha mostrato notevoli vantaggi. Il magnesio influenza la dimensione e la distribuzione dei carburi, componenti critici degli acciai per cuscinetti. Affinando le strutture dei carburi, il magnesio contribuisce a migliorare la resistenza all'usura, la durata a fatica e le prestazioni complessive dei cuscinetti.
L'impatto del magnesio sulle proprietà meccaniche dell'acciaio è particolarmente degno di nota. Quando il contenuto di magnesio è controllato con precisione tra 0,002% e 0,003% in peso, l'acciaio mostra miglioramenti significativi nella resistenza senza compromettere la duttilità. In particolare, sia la resistenza alla trazione che la resistenza allo snervamento aumentano di oltre 5%, mentre la plasticità del materiale rimane sostanzialmente invariata. Questa combinazione unica di maggiore resistenza e mantenimento della duttilità è altamente auspicabile in molte applicazioni ingegneristiche, in quanto consente di progettare componenti più leggeri ma più resistenti.
È importante notare che per ottenere questi vantaggi è necessario un controllo preciso dell'aggiunta di magnesio, poiché quantità eccessive possono provocare effetti negativi. Pertanto, tecniche di lega avanzate e un attento controllo del processo sono essenziali per sfruttare appieno il potenziale del magnesio nella produzione di acciaio.
L'alluminio, potente disossidante ed elemento di lega nella produzione dell'acciaio, dimostra capacità di disossidazione superiori rispetto al silicio e al manganese. Le sue funzioni primarie nella metallurgia dell'acciaio sono molteplici e di importanza critica per migliorare varie proprietà dell'acciaio.
L'aggiunta di alluminio all'acciaio serve a raffinare le strutture dei grani e a stabilizzare l'azoto, con conseguenti miglioramenti sostanziali della tenacità agli urti. Questo meccanismo di affinamento dei grani attenua in modo significativo la fragilità a freddo e riduce la tendenza all'invecchiamento, migliorando così le prestazioni meccaniche complessive e la longevità dell'acciaio.
In alcuni tipi di acciaio, il contenuto preciso di alluminio è fondamentale. Ad esempio, l'acciaio strutturale al carbonio di grado D richiede un minimo di 0,015% di alluminio solubile in acido. Nel caso della lamiera laminata a freddo 08AL, progettata per applicazioni di imbutitura profonda, il contenuto ottimale di alluminio solubile in acido varia da 0,015% a 0,065%, garantendo una formabilità e una resistenza adeguate.
L'alluminio contribuisce anche a migliorare la resistenza alla corrosione dell'acciaio, soprattutto se usato in sinergia con altri elementi di lega come molibdeno, rame, silicio e cromo. Questa combinazione crea uno strato passivo più robusto, migliorando la resistenza dell'acciaio a vari ambienti corrosivi.
Negli acciai al cromo-molibdeno e al cromo, l'aggiunta di alluminio aumenta la resistenza all'usura. Ciò avviene grazie alla formazione di particelle di ossido di alluminio fini e dure disperse nella matrice dell'acciaio, che agiscono come ostacoli al movimento delle dislocazioni e migliorano la durezza della superficie.
Tuttavia, è importante notare che gli effetti dell'alluminio non sono universalmente positivi. Negli acciai da utensili ad alto tenore di carbonio, la presenza di alluminio può indurre fragilità durante il processo di tempra, compromettendo potenzialmente la tenacità e le prestazioni complessive dell'acciaio.
Sebbene l'alluminio offra numerosi vantaggi, presenta anche delle sfide nella lavorazione dell'acciaio. Può influire negativamente sulle proprietà di lavorazione termica, sulle prestazioni di saldatura e sulla lavorabilità. Questi effetti sono dovuti alla formazione di inclusioni di ossido di alluminio ad alto punto di fusione e alla modifica della microstruttura dell'acciaio, che possono portare a una maggiore usura degli utensili durante la lavorazione e a potenziali difetti di saldatura, se non gestiti correttamente.
Il silicio è un elemento cruciale nella produzione dell'acciaio, in quanto funge da agente riducente e disossidante. Negli acciai al carbonio, il contenuto di silicio rimane in genere inferiore a 0,5%, introdotto durante il processo di produzione dell'acciaio per svolgere questi ruoli critici.
Quando si scioglie in ferrite e austenite, il silicio aumenta significativamente la durezza e la resistenza dell'acciaio. Il suo effetto di rafforzamento è secondo solo al fosforo e supera quello di manganese, nichel, cromo, tungsteno, molibdeno e vanadio. Tuttavia, un contenuto di silicio superiore a 3% può ridurre sostanzialmente la plasticità e la tenacità dell'acciaio.
L'influenza del silicio sulle proprietà dell'acciaio è multiforme:
Nella produzione di acciaio, il contenuto di silicio è attentamente controllato. Per l'acciaio da rivestimento, è limitato a <0,07%. Se necessario, la lega silicio-ferro viene aggiunta durante la produzione dell'acciaio per ottenere i livelli di silicio e le proprietà desiderate.
Il fosforo (P) viene introdotto nell'acciaio principalmente attraverso il minerale di ferro ed è generalmente considerato un elemento dannoso. Se da un lato il P può aumentare la resistenza e la durezza dell'acciaio, dall'altro compromette in modo significativo la plasticità e la tenacità agli urti.
A basse temperature, il P induce una "fragilità a freddo", riducendo fortemente la duttilità dell'acciaio. Questo fenomeno influisce negativamente sulla lavorabilità a freddo e sulla saldabilità dell'acciaio. La gravità della fragilità a freddo aumenta proporzionalmente al contenuto di P, rendendo necessario un controllo rigoroso dei livelli di fosforo nella produzione di acciaio.
Gli standard industriali per il contenuto di P variano in base alla qualità dell'acciaio:
Il fosforo presenta potenti effetti di rafforzamento in soluzione solida e di indurimento per raffreddamento. In combinazione con il rame, aumenta la resistenza alla corrosione atmosferica negli acciai basso-legati ad alta resistenza, anche se a scapito delle prestazioni di stampaggio a freddo. In combinazione con zolfo e manganese, il P può migliorare la lavorabilità, aggravando però la fragilità da tempra e la sensibilità alla fragilità da freddo.
In particolare, il P migliora la resistività elettrica e può ridurre la forza coercitiva e le perdite per correnti parassite grazie al suo effetto di ingrossamento dei grani. Nei campi magnetici deboli, gli acciai con un contenuto di P più elevato mostrano una migliore induzione magnetica.
Per gli acciai al silicio, il contenuto di P dovrebbe essere limitato a ≤0,15% (ad esempio, 0,07-0,10% negli acciai al silicio elettrici laminati a freddo). Sebbene il P non ostacoli in modo significativo la lavorazione a caldo dell'acciaio al silicio, può indurre fragilità. Il fosforo è l'elemento più potente per la stabilizzazione della ferrite e il suo impatto sulla temperatura di ricristallizzazione e sulla crescita dei grani nell'acciaio al silicio è 4-5 volte superiore a quello del silicio a concentrazioni equivalenti.
In sintesi, sebbene il P offra alcune proprietà benefiche, i suoi effetti negativi sulle proprietà meccaniche e sulle caratteristiche di lavorazione dell'acciaio richiedono un controllo e una considerazione accurati nella progettazione delle leghe e nei processi di produzione.
Lo zolfo viene introdotto nell'acciaio principalmente dal minerale di ferro e dal coke combustibile durante il processo di produzione dell'acciaio. È generalmente considerato un elemento dannoso nella produzione dell'acciaio a causa del suo impatto negativo su varie proprietà dell'acciaio.
Nell'acciaio, lo zolfo è presente prevalentemente come solfuro di ferro (FeS). Il sistema FeS-Fe forma un composto eutettico a bassa fusione con un punto di fusione di circa 985°C (1805°F). Poiché la temperatura di lavorazione a caldo dell'acciaio supera in genere i 1150°C (2102°F), i composti FeS possono fondere prematuramente durante le operazioni di lavorazione a caldo. Questa fusione precoce porta a un fenomeno noto come "brevità a caldo" o "fragilità a caldo", che riduce significativamente la duttilità e la tenacità dell'acciaio, provocando spesso cricche durante i processi di forgiatura e laminazione.
Inoltre, lo zolfo influisce negativamente sulla saldabilità dell'acciaio e ne riduce la resistenza alla corrosione. Per mitigare questi effetti negativi, il contenuto di zolfo nell'acciaio è strettamente controllato. Per gli acciai di alta qualità, il contenuto di zolfo è generalmente limitato a meno di 0,02% - 0,03%. Negli acciai di qualità, l'intervallo accettabile è leggermente superiore, fino a 0,03% - 0,045%, mentre gli acciai strutturali comuni possono contenere fino a 0,055% - 0,07% di zolfo.
Nonostante i suoi effetti generalmente negativi, lo zolfo può essere utile in applicazioni specifiche. Ad esempio, nella produzione di acciai per la lavorazione libera, come alcuni gradi di acciaio inossidabile (ad esempio, AISI 303), viene aggiunta intenzionalmente una piccola quantità di zolfo (da 0,2% a 0,4%) per migliorare la lavorabilità e la finitura superficiale. Questa aggiunta controllata di zolfo facilita la rottura del truciolo e riduce l'usura dell'utensile durante le operazioni di lavorazione. Analogamente, alcuni acciai ad alta velocità e acciai per utensili utilizzano lo zolfo per migliorare le caratteristiche superficiali e la lavorabilità.
In conclusione, sebbene lo zolfo sia generalmente considerato un'impurità nella produzione dell'acciaio, i suoi effetti possono essere sia dannosi che vantaggiosi a seconda dell'applicazione specifica e del tipo di acciaio. Un controllo accurato del contenuto di zolfo è fondamentale per ottenere le proprietà meccaniche e le caratteristiche prestazionali desiderate nei prodotti siderurgici.
K/Na possono essere utilizzati come potenti modificatori per sferoidizzare i carburi nella ghisa bianca, aumentando significativamente la sua tenacità fino a 200%, pur mantenendo la sua caratteristica elevata durezza. Questa trasformazione avviene attraverso la promozione della formazione di noduli di grafite e la riduzione delle reti di carburi fragili.
Questi metalli alcalini svolgono anche un ruolo cruciale nell'affinare la microstruttura della ghisa duttile, promuovendo la formazione di noduli di grafite più numerosi e uniformemente distribuiti. Nella produzione di ferro vermicolare (grafite compattata), K/Na agiscono come agenti stabilizzanti, restringendo la finestra di processo e migliorando la coerenza nel controllo della morfologia della grafite.
Inoltre, il K/Na è molto efficace nel promuovere l'austenitizzazione nelle leghe ferrose. Un esempio notevole è il loro impatto sull'acciaio austenitico al manganese, dove possono ridurre drasticamente il rapporto manganese/carbonio richiesto dal convenzionale 10:1-13:1 a un più economico 4:1-5:1. Questa riduzione non solo abbassa i costi della lega, ma migliora anche la resistenza all'usura e le capacità di indurimento in lavorazione dell'acciaio, espandendo le sue applicazioni nelle leghe ferrose. Questa riduzione non solo abbassa i costi della lega, ma migliora anche la resistenza all'usura e le capacità di indurimento del lavoro dell'acciaio, ampliandone le applicazioni in ambienti ad alto impatto e abrasivi.
L'aggiunta di calcio all'acciaio è una tecnica metallurgica potente che offre numerosi vantaggi in varie proprietà e fasi di lavorazione dell'acciaio. Il calcio agisce come un potente raffinatore di grani, un parziale desolforatore e un modificatore di inclusioni non metalliche, simile agli effetti degli elementi delle terre rare nell'acciaio.
L'aggiunta di calcio aumenta significativamente la resistenza alla corrosione e all'usura dell'acciaio, migliorandone le prestazioni sia alle alte che alle basse temperature. Aumenta le proprietà meccaniche critiche, come la tenacità all'impatto, la resistenza alla fatica e la plasticità. Inoltre, l'aggiunta di calcio influisce positivamente sulla saldabilità dell'acciaio, rendendolo più adatto a vari processi di fabbricazione.
In termini di applicazioni specifiche, l'acciaio trattato con calcio presenta caratteristiche superiori di deformazione a freddo, maggiore resistenza agli urti, maggiore durezza e migliore forza di contatto. Queste proprietà lo rendono particolarmente prezioso nella produzione di elementi di fissaggio ad alte prestazioni, cuscinetti e altri componenti sottoposti a condizioni di carico severe.
Per le applicazioni di fusione dell'acciaio, l'aggiunta di calcio offre molteplici vantaggi. Aumenta la fluidità dell'acciaio fuso, migliorando la colabilità e la finitura superficiale del prodotto finale. In particolare, contribuisce a eliminare l'anisotropia nella microstruttura del getto, con conseguenti proprietà più uniformi in tutta la colata. Questa uniformità si traduce in una maggiore resistenza alla cricca termica, in proprietà meccaniche superiori e in una migliore lavorabilità dei componenti fusi.
Inoltre, l'acciaio trattato con calcio dimostra una maggiore resistenza alla cricca indotta dall'idrogeno e alla lacerazione lamellare, entrambi fattori critici in alcune applicazioni ad alta sollecitazione e nelle strutture saldate. Queste migliori prestazioni possono prolungare in modo significativo la durata di vita delle attrezzature e degli utensili prodotti con acciaio trattato con calcio.
Nella produzione dell'acciaio, il calcio viene tipicamente introdotto come parte di una lega madre, svolgendo molteplici ruoli: come disossidante per rimuovere l'ossigeno nocivo, come inoculante per promuovere una solidificazione controllata e come agente microlegante per perfezionare la microstruttura e le proprietà dell'acciaio. Il controllo preciso dell'aggiunta di calcio e della sua interazione con gli altri elementi di lega è fondamentale per ottenere l'equilibrio desiderato di proprietà nel prodotto finale in acciaio.
Il titanio presenta una forte affinità per l'azoto, l'ossigeno e il carbonio e una maggiore affinità per lo zolfo rispetto al ferro, rendendolo un elemento efficace per la disossidazione e per fissare l'azoto e il carbonio nell'acciaio.
Essendo un potente elemento che forma carburi, il titanio si combina facilmente con il carbonio per formare il carburo di titanio (TiC). Questo composto possiede una forte forza legante, un'elevata stabilità e resistenza alla decomposizione. La dissoluzione del TiC nell'acciaio avviene lentamente, in genere a temperature superiori a 1000°C (1832°F).
Prima della dissoluzione, le particelle di carburo di titanio svolgono un ruolo cruciale nell'inibire la crescita dei grani, contribuendo all'affinamento della microstruttura dell'acciaio.
La maggiore affinità del titanio per il carbonio rispetto al cromo lo rende un'aggiunta preziosa negli acciai inossidabili. Fissa efficacemente il carbonio, attenua l'impoverimento del cromo ai bordi dei grani e di conseguenza riduce o elimina la suscettibilità alla corrosione intergranulare.
In quanto elemento fortemente ferritico, il titanio eleva significativamente le temperature A1 (eutettoide) e A3 (trasformazione da austenite a ferrite) nell'acciaio, influenzando il suo comportamento di trasformazione di fase.
Negli acciai basso-legati, il titanio aumenta sia la resistenza che la duttilità. Ciò si ottiene grazie alla sua capacità di fissare azoto e zolfo, formare carburi di titanio e promuovere l'affinamento dei grani durante i processi di trattamento termico come la normalizzazione. I carburi precipitati migliorano significativamente la plasticità e la tenacità dell'acciaio.
Gli acciai strutturali in lega contenenti titanio presentano eccellenti proprietà meccaniche e caratteristiche di lavorazione. Tuttavia, uno svantaggio notevole è la loro ridotta temprabilità, che può influire sulla tempra passante nelle sezioni trasversali più grandi.
Negli acciai inossidabili ad alto tenore di cromo, il titanio è tipicamente aggiunto in un rapporto di 5:1 rispetto al contenuto di carbonio. Questa aggiunta migliora la resistenza alla corrosione (in particolare contro la corrosione intergranulare), aumenta la tenacità, favorisce la crescita controllata dei grani a temperature elevate e migliora la saldabilità dell'acciaio.
L'uso strategico del titanio in vari tipi di acciaio dimostra la sua versatilità nel personalizzare le proprietà meccaniche, la resistenza alla corrosione e le caratteristiche di lavorazione per soddisfare i requisiti di applicazioni specifiche in settori che vanno dall'industria automobilistica a quella aerospaziale e chimica.
Il vanadio presenta una forte affinità con il carbonio, l'azoto e l'ossigeno, formando composti stabili. Nell'acciaio è presente soprattutto sotto forma di carburi.
Le funzioni principali del vanadio nell'acciaio includono l'affinamento della microstruttura e della dimensione dei grani e l'aumento della temprabilità quando è disciolto nella matrice di austenite a temperature elevate. Tuttavia, quando è presente sotto forma di carburi, può contrastare questo effetto riducendo la temprabilità. Il vanadio migliora inoltre in modo significativo la resistenza al rinvenimento dell'acciaio temprato e induce un fenomeno di tempra secondaria.
Il contenuto di vanadio negli acciai è tipicamente limitato a 0,5%, ad eccezione degli acciai per utensili ad alta velocità. Negli acciai legati convenzionali a basso tenore di carbonio, il vanadio agisce come raffinatore di grani, migliorando la resistenza, il rapporto di snervamento, la tenacità a bassa temperatura e la saldabilità. Negli acciai strutturali legati, se usato insieme a manganese, cromo, molibdeno e tungsteno, il vanadio può moderare la temprabilità in condizioni di trattamento termico standard.
Per gli acciai per molle e cuscinetti, l'aggiunta di vanadio migliora la resistenza e il rapporto di snervamento, in particolare il limite proporzionale e il limite elastico. Inoltre, attenua la sensibilità al carbonio durante il trattamento termico, con conseguente qualità superficiale superiore. Negli acciai per utensili, il vanadio affina la struttura dei grani, riduce la suscettibilità al surriscaldamento, aumenta la stabilità del rinvenimento e migliora la resistenza all'usura, prolungando così la durata degli utensili.
Negli acciai da cementazione, il vanadio consente la tempra diretta dopo la carburazione, eliminando la necessità di una fase di tempra separata. Gli acciai per cuscinetti contenenti vanadio e cromo presentano una maggiore dispersione di carburo e caratteristiche prestazionali superiori.
L'influenza del vanadio sulle proprietà dell'acciaio dipende fortemente dalla sua concentrazione e dall'interazione con altri elementi di lega, rendendo necessario un attento controllo nella progettazione e nella lavorazione dell'acciaio per ottimizzare le proprietà desiderate per applicazioni specifiche.
Il cromo svolge un ruolo fondamentale nel migliorare le proprietà di vari acciai e leghe. Aumenta significativamente la temprabilità dell'acciaio e contribuisce alla tempra secondaria, migliorando la durezza e la resistenza all'usura dell'acciaio al carbonio senza comprometterne la duttilità.
Quando il contenuto di cromo è superiore a 12%, conferisce all'acciaio un'eccellente resistenza all'ossidazione ad alta temperatura e alla corrosione, migliorandone al contempo la resistenza a caldo. Ciò rende il cromo l'elemento di lega principale negli acciai inossidabili, negli acciai resistenti agli acidi e negli acciai resistenti al calore.
Nell'acciaio al carbonio, il cromo migliora la resistenza e la durezza in condizioni di laminazione, riducendo al contempo l'allungamento e il ritiro trasversale. Tuttavia, quando il contenuto di cromo supera i 15%, si verifica un effetto inverso: la resistenza e la durezza diminuiscono, mentre l'allungamento e il ritiro trasversale aumentano. In particolare, i componenti in acciaio al cromo possono ottenere un'elevata qualità superficiale attraverso i processi di rettifica.
Durante il rinvenimento, la funzione principale del cromo è quella di migliorare la temprabilità, ottenendo proprietà meccaniche superiori dopo la tempra e il rinvenimento. Negli acciai da cementazione, forma carburi di cromo, migliorando significativamente la resistenza all'usura superficiale. Gli acciai per molle al cromo presentano una resistenza alla decarburazione durante il trattamento termico, una caratteristica preziosa per mantenere le proprietà desiderate.
Negli acciai per utensili, il cromo migliora la resistenza all'usura, la durezza e la durezza rossa (durezza a caldo), aumentando al contempo la stabilità del rinvenimento. Questa combinazione di proprietà rende gli acciai per utensili legati al cromo ideali per le applicazioni ad alta temperatura.
Nelle leghe elettrotermiche, il cromo serve a migliorare la resistenza all'ossidazione, la resistenza elettrica e la forza complessiva. Queste proprietà sono fondamentali per le applicazioni negli elementi riscaldanti e in altri componenti elettrici ad alta temperatura.
La versatilità del cromo come elemento di lega sottolinea la sua importanza nella moderna metallurgia e scienza dei materiali, consentendo lo sviluppo di acciai e leghe con proprietà personalizzate per specifiche applicazioni industriali.
Il manganese (Mn) svolge un ruolo cruciale nel migliorare le proprietà dell'acciaio, soprattutto grazie alla sua economicità e compatibilità con il ferro (Fe). Migliora in modo significativo la resistenza dell'acciaio, pur influendo minimamente sulla plasticità, e ciò lo rende un elemento di lega ampiamente adottato nell'industria siderurgica.
L'ubiquità del Mn nella produzione di acciaio è evidente in diversi gradi. Dagli acciai da stampaggio a basso tenore di carbonio agli acciai avanzati ad alta resistenza (AHSS), come gli acciai a doppia fase (DP), a plasticità indotta dalla trasformazione (TRIP) e martensitici (MS), il Mn è un componente chiave. Il suo contenuto varia in base alle proprietà meccaniche e alle applicazioni desiderate.
Negli acciai a basso tenore di carbonio, il contenuto di Mn rimane in genere inferiore a 0,5%. Tuttavia, con l'aumentare dei requisiti di resistenza, aumenta anche il contenuto di Mn. Ad esempio, negli acciai martensitici ad altissima resistenza, i livelli di Mn possono raggiungere i 3%, contribuendo in modo significativo al loro eccezionale rapporto resistenza/peso.
L'influenza del Mn va oltre l'aumento della resistenza. Migliora la temprabilità dell'acciaio, aumentando la sua risposta ai processi di trattamento termico. Questo effetto è esemplificato dal confronto tra gli acciai 40Mn e AISI 1040, dove il primo presenta una temprabilità superiore grazie al suo maggiore contenuto di Mn.
Un'altra funzione critica del Mn è la sua capacità di mitigare gli effetti dannosi dello zolfo (S) nell'acciaio. Durante il processo di produzione dell'acciaio, il Mn forma inclusioni di solfuro di manganese (MnS) ad alto punto di fusione, neutralizzando efficacemente l'impatto negativo dello zolfo sulle proprietà dell'acciaio, in particolare sulla lavorabilità a caldo e sulla duttilità.
Tuttavia, l'aggiunta di Mn richiede un attento equilibrio. Se da un lato l'aumento del contenuto di Mn può produrre una maggiore resistenza, dall'altro una quantità eccessiva può compromettere la plasticità e la saldabilità dell'acciaio. Questo compromesso richiede un controllo preciso del contenuto di Mn in base all'applicazione prevista e al profilo di proprietà richiesto dell'acciaio.
Nella moderna produzione di acciaio, l'ottimizzazione del contenuto di Mn, spesso in combinazione con altri elementi di lega, è cruciale per lo sviluppo di acciai con combinazioni di proprietà personalizzate per soddisfare le richieste specifiche dell'industria, dall'alleggerimento del settore automobilistico alle applicazioni strutturali ad alte prestazioni.
Il cobalto (Co) svolge un ruolo fondamentale nel migliorare le proprietà di acciai e leghe speciali. Negli acciai ad alta velocità, il cobalto conferisce un'eccezionale durezza a caldo, mantenendo le prestazioni dell'utensile da taglio a temperature elevate durante le operazioni di lavorazione.
Se legato al molibdeno negli acciai maraging, il Co migliora significativamente la durezza e le proprietà meccaniche complessive. Questo effetto sinergico si traduce in acciai ad altissima resistenza con un'eccellente tenacità, ampiamente utilizzati nelle applicazioni aerospaziali e di difesa.
Il co è un elemento di lega essenziale negli acciai resistenti al calore e nei materiali magnetici. In questi ultimi, contribuisce all'elevata saturazione magnetica e a migliorare le temperature di Curie, fondamentali per i magneti permanenti ad alte prestazioni e gli acciai elettrici.
Tuttavia, l'impatto del Co sulle proprietà dell'acciaio è complesso. Negli acciai al carbonio, può ridurre la temprabilità, compromettendo potenzialmente tutte le proprietà meccaniche. Questo effetto è particolarmente pronunciato negli acciai a medio e alto tenore di carbonio, dove la temprabilità è fondamentale per ottenere le microstrutture e le proprietà desiderate.
Il Co rafforza la ferrite attraverso l'indurimento in soluzione solida. Se aggiunto agli acciai al carbonio durante i trattamenti termici come la ricottura o la normalizzazione, aumenta la durezza, il carico di snervamento e la resistenza alla trazione. Tuttavia, ciò avviene al prezzo di una riduzione della duttilità, che si manifesta con una diminuzione dell'allungamento e una riduzione dell'area.
L'aumento del contenuto di Co negli acciai porta generalmente a una riduzione della tenacità all'impatto. Questo compromesso tra resistenza e tenacità deve essere attentamente bilanciato nella progettazione delle leghe per applicazioni specifiche.
L'eccellente resistenza all'ossidazione del Co lo rende prezioso negli acciai e nelle superleghe resistenti al calore. Le superleghe a base di Co, in particolare nelle applicazioni per turbine a gas, presentano una resistenza superiore alle alte temperature, resistenza al creep e alla corrosione a caldo, consentendo temperature di esercizio più elevate e una migliore efficienza del motore.
Gli effetti benefici del nichel nelle leghe d'acciaio sono notevoli e comprendono proprietà meccaniche più elevate, migliori caratteristiche microstrutturali e una maggiore resistenza alla corrosione. Questi attributi rendono gli acciai contenenti nichel molto desiderabili per un'ampia gamma di applicazioni industriali.
Il nichel aumenta in modo significativo il rapporto resistenza/durezza dell'acciaio, un fattore critico in molti progetti ingegneristici. Abbassa drasticamente la temperatura di transizione da duttile a fragile, con valori che scendono sotto i -100°C con un contenuto di Ni di 0,3% e che precipitano a -180°C se combinato con 4-5% di cobalto. Questa notevole tenacità a bassa temperatura amplia l'ambito operativo degli acciai contenenti nichel nelle applicazioni criogeniche.
L'influenza del nichel sulla temprabilità dell'acciaio dipende dalla concentrazione. Mentre il contenuto di Ni di 3,5% è insufficiente per la tempra, l'aumento del contenuto di nichel a 8% negli acciai al cromo facilita la trasformazione martensitica anche a velocità di raffreddamento molto basse. Questa caratteristica è particolarmente preziosa nella produzione di componenti di grandi dimensioni e con sezioni spesse, dove l'indurimento passante è difficile.
La struttura atomica del nichel, con una costante reticolare simile a quella dell'austenite (γ-Fe), favorisce la formazione di una soluzione solida continua. Questa compatibilità metallurgica aumenta la temprabilità dell'acciaio e contribuisce a una microstruttura più uniforme. Inoltre, il nichel riduce le temperature critiche di trasformazione e stabilizza l'austenite, consentendo temperature di spegnimento inferiori e una migliore temprabilità.
Gli effetti sinergici del nichel con altri elementi di lega sono degni di nota. Le combinazioni nichel-cromo, nichel-tungsteno e nichel-cromo-molibdeno migliorano significativamente la temprabilità. Gli acciai al nichel-molibdeno presentano un'eccezionale resistenza alla fatica, mentre gli acciai al nichel hanno generalmente proprietà di fatica termica superiori, che li rendono adatti a componenti sottoposti a cicli termici.
Negli acciai inossidabili, il nichel svolge un ruolo cruciale nello stabilizzare la fase austenitica, migliorando così la resistenza alla corrosione in un ampio spettro di ambienti. Ciò rende gli acciai inossidabili contenenti nichel indispensabili nei processi chimici, nella produzione alimentare e nelle applicazioni marine.
Un vantaggio spesso trascurato del nichel nell'acciaio è la sua capacità di inibire la crescita dei grani a temperature elevate. Questa caratteristica contribuisce a mantenere una microstruttura a grana fine, essenziale per preservare le proprietà meccaniche e prevenire l'infragilimento durante il servizio ad alta temperatura o i processi di trattamento termico.
Il rame (Cu) svolge un ruolo significativo nel potenziare le proprietà dell'acciaio, in particolare nel migliorare la sua resistenza alla corrosione atmosferica. Se legato all'acciaio a basso tenore di carbonio, il Cu forma una patina protettiva sulla superficie, prolungando notevolmente la durata del materiale in ambienti corrosivi. L'effetto sinergico di Cu e fosforo (P) non solo potenzia la resistenza alla corrosione, ma aumenta anche la resistenza e il rapporto di snervamento dell'acciaio senza comprometterne la saldabilità.
Le rotaie in acciaio contenenti da 0,20% a 0,50% di Cu (comunemente chiamate acciaio U-Cu) presentano una notevole resistenza alla corrosione, con una durata da 2 a 5 volte superiore a quella dell'acciaio al carbonio standard. Ciò lo rende particolarmente prezioso nelle applicazioni esposte a condizioni ambientali difficili, come le infrastrutture costiere o gli impianti di lavorazione chimica.
A concentrazioni più elevate, in particolare quando il contenuto di Cu supera 0,75%, l'acciaio può subire un effetto di invecchiamento dopo il trattamento in soluzione solida e il successivo invecchiamento. Questo fenomeno può essere sfruttato per migliorare ulteriormente la resistenza e la durezza del materiale attraverso processi di trattamento termico controllati.
In concentrazioni inferiori, l'influenza del Cu sulle proprietà dell'acciaio è paragonabile a quella del nichel, anche se meno pronunciata. Tuttavia, è fondamentale notare che un contenuto eccessivo di Cu (tipicamente superiore a 1%) può portare a problemi di lavorazione durante le operazioni a caldo. Ciò è dovuto alla formazione di una fase ricca di Cu a basso punto di fusione ai confini dei grani, che potrebbe causare un cortocircuito a caldo o infragilimento da rame.
I vantaggi del rame vanno oltre gli acciai al carbonio. Negli acciai inossidabili austenitici, l'aggiunta di 2-3% Cu aumenta significativamente la resistenza a mezzi corrosivi come l'acido solforico, l'acido fosforico e l'acido cloridrico. Inoltre, migliora la resistenza della lega alle cricche da tensocorrosione, un fattore critico in applicazioni impegnative come le apparecchiature per il trattamento chimico o gli ambienti marini.
Il gallio (Ga), un metallo post-transizione, si trova nel blocco p della tavola periodica e presenta proprietà uniche nella metallurgia dell'acciaio. Nel sistema ferro-carbonio, il microgallio è solubile nella fase di ferrite (α-Fe), formando una soluzione solida sostitutiva. A differenza di molti elementi di lega, il gallio non forma carburi, ossidi, nitruri o solfuri nell'acciaio, il che influenza il suo comportamento durante il trattamento termico e il servizio.
Nella regione bifase austenite (γ) + ferrite (α), il microgallio presenta una diffusione preferenziale dall'austenite alla ferrite a causa della sua maggiore solubilità nella struttura cubica a corpo centrato (BCC) della ferrite rispetto alla struttura cubica a faccia centrata (FCC) dell'austenite. Questo comportamento di diffusione porta a un aumento della concentrazione di gallio nella fase di ferrite, influenzando potenzialmente la cinetica di trasformazione di fase e la microstruttura finale dell'acciaio.
Il meccanismo principale con cui il gallio influenza le proprietà meccaniche dell'acciaio è il rafforzamento in soluzione solida. Come atomo sostitutivo nel reticolo del ferro, gli atomi di gallio creano distorsioni locali, impedendo il movimento delle dislocazioni e aumentando così la resistenza e la durezza dell'acciaio. Tuttavia, l'entità di questo effetto di rafforzamento è generalmente meno pronunciata rispetto agli elementi di lega tradizionali come il manganese o il molibdeno.
Per quanto riguarda la resistenza alla corrosione, il gallio ha un impatto minimo sul comportamento complessivo dell'acciaio. A differenza di elementi come il cromo o il nichel, che possono aumentare significativamente la resistenza alla corrosione attraverso la formazione di pellicole passive, il gallio non altera sostanzialmente le proprietà elettrochimiche della superficie dell'acciaio. Il suo effetto limitato sulla resistenza alla corrosione è dovuto principalmente alla sua natura di non formazione di ossidi nelle matrici di acciaio.
L'arsenico (As) nei minerali rappresenta una sfida durante la produzione di ferro e acciaio, con una rimozione limitata ottenibile attraverso la sinterizzazione convenzionale. Tuttavia, la torrefazione con clorazione offre un metodo più efficace per l'eliminazione dell'As. Durante la fusione in altoforno, l'As residuo si integra nella ghisa, rendendo necessaria un'attenta gestione.
Quando il contenuto di As nell'acciaio supera lo 0,1%, ha un impatto significativo sulle proprietà del materiale, aumentando la fragilità e compromettendo la saldabilità. Per mitigare questi effetti negativi, è fondamentale un controllo rigoroso dei livelli di As nel minerale, con una soglia massima raccomandata di 0,07%.
La presenza di As nell'acciaio ha un'influenza complessa sulle proprietà meccaniche. Negli acciai tondi a basso tenore di carbonio, tende ad aumentare sia il punto di snervamento (σs) che la resistenza alla trazione (σb). Tuttavia, ciò avviene al prezzo di una riduzione della duttilità, come evidenziato dalla diminuzione dell'allungamento. Inoltre, l'As ha un impatto negativo pronunciato sulla tenacità all'impatto a temperatura ambiente (Akv) dell'acciaio al carbonio, un fattore critico per molte applicazioni.
Queste considerazioni metallurgiche sottolineano l'importanza di una gestione precisa dell'As in tutti i processi di produzione del ferro e dell'acciaio, bilanciando i potenziali benefici con gli effetti dannosi per garantire qualità e prestazioni ottimali dell'acciaio.
Il selenio (Se) svolge un ruolo fondamentale nel migliorare la lavorabilità di vari metalli, tra cui l'acciaio al carbonio, l'acciaio inossidabile e il rame. La sua incorporazione determina un miglioramento della finitura superficiale, con pezzi dall'aspetto brillante e pulito. Questo miglioramento è dovuto principalmente alla capacità del selenio di formare inclusioni facilmente tagliabili, che facilitano la rottura dei trucioli e riducono l'usura degli utensili durante le operazioni di lavorazione.
Nel settore specializzato degli acciai al silicio orientati ad alta induzione magnetica, il diseleniuro di manganese (MnSe2) viene spesso impiegato come inibitore. L'MnSe2 dimostra caratteristiche di inclusione superiori rispetto al solfuro di manganese (MnS), in particolare per quanto riguarda la capacità di controllare la crescita dei grani iniziali di ricristallizzazione. Questa maggiore inibizione è fondamentale per promuovere la crescita selettiva dei grani di ricristallizzazione secondaria. Il risultato è una struttura altamente orientata (110)[001], fondamentale per ottenere proprietà magnetiche ottimali negli acciai elettrici utilizzati nei nuclei dei trasformatori e in altre applicazioni elettriche ad alta efficienza. L'ottimizzazione della struttura consente di ridurre le perdite del nucleo e di migliorare l'efficienza complessiva del trasformatore.
Lo zirconio (Zr) è un potente elemento che forma carburi e presenta proprietà analoghe a quelle di niobio, tantalio e vanadio nelle leghe di acciaio. Le sue caratteristiche uniche lo rendono un additivo prezioso in diverse applicazioni metallurgiche ad alte prestazioni.
L'incorporazione di piccole quantità di Zr produce molteplici effetti benefici sulla microstruttura e sulle proprietà dell'acciaio:
Questi effetti contribuiscono sinergicamente a migliorare la tenacità alle basse temperature e la formabilità, particolarmente utili per migliorare le prestazioni di stampaggio delle lamiere d'acciaio.
Lo Zr trova ampia applicazione nella produzione di:
Il controllo preciso del contenuto di Zr, tipicamente nell'intervallo 0,05-0,15%, è fondamentale per ottimizzarne i vantaggi, evitando al contempo potenziali problemi come l'eccessiva formazione di carburo o l'infragilimento.
Il niobio (Nb) e il tantalio sono elementi strettamente correlati, spesso presenti insieme in natura, e svolgono ruoli simili nella metallurgia dell'acciaio. Entrambi gli elementi possono dissolversi parzialmente in soluzione solida, contribuendo al rafforzamento della matrice dell'acciaio.
La presenza di Nb aumenta significativamente la risposta di tempra dell'acciaio quando è disciolto nella fase austenitica. Tuttavia, quando è presente sotto forma di carburi o particelle di ossido, il Nb agisce come raffinatore di grani e riduce la temprabilità dell'acciaio. Inoltre, aumenta la stabilità al rinvenimento e induce un effetto di indurimento secondario, utile per ottenere specifiche proprietà meccaniche.
La microlega con niobio offre un vantaggio unico: migliora la resistenza dell'acciaio senza comprometterne la plasticità o la tenacità. Questa caratteristica è particolarmente preziosa nei moderni acciai a bassa resistenza (HSLA). Il Nb affina la struttura dei grani, aumenta la tenacità agli urti e abbassa la temperatura di transizione da duttile a fragile. Quando il contenuto di Nb supera 8 volte quello del carbonio, può fissare efficacemente quasi tutto il carbonio nell'acciaio, con conseguente eccellente resistenza all'infragilimento da idrogeno.
Negli acciai inossidabili austenitici, l'Nb agisce come elemento stabilizzante, prevenendo la sensibilizzazione e la corrosione intergranulare in ambienti ossidanti. Ciò avviene grazie alla formazione di carburi di niobio stabili, che impediscono la precipitazione di carburo di cromo ai bordi dei grani. Inoltre, l'Nb migliora le prestazioni ad alta temperatura degli acciai, in particolare la resistenza allo scorrimento, grazie alla sua capacità di fissare il carbonio e all'effetto di indurimento per precipitazione.
Per gli acciai convenzionali a bassa lega, l'aggiunta di Nb porta a un miglioramento della resistenza allo snervamento e della tenacità all'urto, riducendo al contempo la temperatura di transizione da duttile a fragile. Questa combinazione di proprietà è particolarmente vantaggiosa per le strutture saldate. Negli acciai strutturali legati da cementazione e rinvenimento, l'Nb aumenta la temprabilità, migliorando contemporaneamente la tenacità e le prestazioni a bassa temperatura. Negli acciai inossidabili martensitici a basso tenore di carbonio, l'Nb riduce la tendenza all'indurimento in aria, attenua l'infragilimento da tempra e aumenta la resistenza allo scorrimento, rendendolo un elemento di lega versatile per diversi tipi di acciaio e applicazioni.
Il molibdeno (Mo) aumenta notevolmente le proprietà dell'acciaio, migliorandone la temprabilità, la resistenza al calore e la resistenza all'infragilimento da tempra. Inoltre, aumenta il magnetismo residuo, la coercitività e la resistenza alla corrosione in ambienti specifici.
Negli acciai bonificati, il Mo migliora la temprabilità, consentendo un trattamento termico efficace di parti di grande sezione. Migliora la stabilità del rinvenimento, aumentando la resistenza dell'acciaio al rammollimento a temperature elevate. Questa caratteristica consente un più efficiente scarico delle tensioni e una migliore duttilità in condizioni di alta temperatura, senza compromettere la resistenza.
Per gli acciai da cementazione, il Mo attenua la formazione di reti continue di carburi ai confini dei grani nello strato carburato. Ciò riduce il contenuto di austenite trattenuta, migliorando la resistenza all'usura superficiale. La microstruttura raffinata migliora la resistenza alla fatica e la tenacità all'impatto.
Il Mo è fondamentale per la forgiatura degli acciai per stampi, in quanto mantiene una durezza costante a temperature elevate e aumenta la resistenza alla deformazione plastica, alle cricche da fatica termica e all'usura abrasiva. Ciò comporta una maggiore durata degli stampi e una migliore qualità dei pezzi nelle operazioni di forgiatura a caldo.
Negli acciai inossidabili e resistenti agli acidi, il Mo aumenta significativamente la resistenza alla corrosione, in particolare contro gli acidi organici (ad esempio, formico, acetico, ossalico), gli agenti ossidanti (perossido di idrogeno) e vari prodotti chimici industriali (acido solforico, acido solforoso, solfati, coloranti acidi, agenti sbiancanti). In particolare, l'aggiunta di Mo combatte efficacemente la corrosione per vaiolatura e interstiziale indotta dagli ioni cloruro, un problema comune negli ambienti marini e di lavorazione chimica.
L'acciaio ad alta velocità W12Cr4V4Mo, contenente circa 1% Mo, presenta un'eccezionale resistenza all'usura, stabilità al rinvenimento e durezza rossa (durezza a caldo). Questa composizione ottimizza l'equilibrio tra i formatori di carburo (W, Cr, V, Mo) e la matrice, garantendo prestazioni di taglio e durata superiori nelle applicazioni di lavorazione ad alta velocità.
Lo stagno (Sn) svolge un ruolo complesso nella metallurgia dell'acciaio, con effetti che variano significativamente a seconda dell'applicazione specifica e della composizione della lega. Nella produzione di acciaio in generale, lo Sn è spesso considerato un'impurità dannosa per il suo potenziale di indurre fragilità a caldo, infragilimento da tempra e cricche. Può influire negativamente sulla saldabilità ed è classificato come uno degli "elementi di disturbo" dell'acciaio, insieme a elementi come rame, arsenico, antimonio e fosforo.
Tuttavia, l'Sn dimostra proprietà vantaggiose in applicazioni specialistiche dell'acciaio. Negli acciai elettrici, in particolare negli acciai al silicio a grani orientati, lo Sn contribuisce a migliorare le proprietà magnetiche. Questo risultato si ottiene influenzando la struttura dei grani e lo sviluppo della struttura. Lo Sn tende a segregare ai confini dei grani, inibendo la crescita dei grani durante la lavorazione. Questo effetto di affinamento dei grani dipende dalla concentrazione; un contenuto più elevato di Sn porta a un controllo più efficace della dimensione dei grani. La struttura dei grani più fine che ne deriva contribuisce a ridurre le perdite di nucleo negli acciai elettrici.
Inoltre, lo Sn promuove la formazione della favorevole struttura {100} Goss nell'acciaio al silicio orientato al grano. Questo miglioramento della struttura porta a un aumento della permeabilità magnetica e a una riduzione della magnetostrizione, entrambe proprietà desiderabili per i materiali del nucleo del trasformatore. L'intensità dell'induzione magnetica può essere notevolmente migliorata con aggiunte controllate di Sn.
Nella produzione di ghisa, piccole quantità di Sn (in genere <0,1 wt%) possono essere vantaggiose. Migliorano la resistenza all'usura e influenzano la fluidità del metallo fuso, che è fondamentale per i processi di fusione. Per la ghisa malleabile perlitica, che combina un'elevata resistenza con una buona resistenza all'usura, l'Sn viene aggiunto durante la fusione per promuovere la formazione di perlite. Tuttavia, il controllo preciso del contenuto di Sn è fondamentale, poiché quantità eccessive possono interferire con la sferoidizzazione della grafite nelle ghise duttili.
Lo Sn trova applicazione anche negli acciai a taglio libero, dove migliora la lavorabilità. In queste leghe, l'Sn tende a segregare intorno alle inclusioni e ai confini dei grani. Sebbene non alteri in modo significativo la morfologia delle inclusioni di solfuro (un fattore chiave negli acciai a taglio libero), il comportamento di segregazione del Sn aumenta la formazione di trucioli e la rottura durante le operazioni di lavorazione. I miglioramenti ottimali della lavorabilità si osservano in genere quando il contenuto di Sn supera 0,05 wt%, anche se la quantità esatta dipende dalla qualità specifica dell'acciaio e dagli altri elementi di lega presenti.
In conclusione, mentre l'Sn è generalmente indesiderabile nella produzione di acciaio in massa, il suo uso mirato in acciai speciali può produrre vantaggi significativi in termini di prestazioni. La chiave sta nel controllo preciso della composizione e nella comprensione delle complesse interazioni tra Sn e altri elementi di lega nella microstruttura dell'acciaio.
Dopo aver incorporato l'antimonio (Sb) nell'acciaio al silicio ad alto orientamento magnetico, l'antimonio affina la dimensione dei grani durante i processi di ricristallizzazione primaria e secondaria. Questo affinamento porta a una ricristallizzazione secondaria più completa, con conseguente miglioramento delle proprietà magnetiche.
In seguito alla laminazione a freddo e alla decarburazione dell'acciaio contenente Sb, le componenti della struttura {110} e {110} si rafforzano. Queste orientazioni sono favorevoli a promuovere la ricristallizzazione secondaria, aumentando di conseguenza il numero di nuclei di ricristallizzazione secondaria. Questa modifica microstrutturale contribuisce a migliorare le prestazioni magnetiche e la qualità complessiva del materiale.
Negli acciai strutturali contenenti Sb progettati per applicazioni di saldatura, l'Sb presenta un comportamento di precipitazione unico alle temperature di austenitizzazione. Precipita preferenzialmente intorno alle inclusioni di solfuro di manganese (MnS) e lungo i confini di grano dell'austenite precedente. L'arricchimento di Sb intorno alle inclusioni di MnS ha un duplice scopo: affinare la microstruttura dell'acciaio e migliorarne la tenacità. La microstruttura raffinata contribuisce a migliorare le proprietà meccaniche, mentre l'aumento della tenacità è particolarmente vantaggioso per le strutture saldate, riducendo potenzialmente il rischio di fratture fragili nella zona termicamente interessata.
Il tungsteno (W) nell'acciaio presenta una doppia funzionalità: si dissolve parzialmente nel ferro formando una soluzione solida e producendo al contempo carburi. I suoi effetti sono paragonabili a quelli del molibdeno (Mo), anche se generalmente meno pronunciati se confrontati in base al peso.
I principali contributi del W alle proprietà dell'acciaio includono una maggiore stabilità al rinvenimento, una migliore durezza rossa (durezza a caldo), una maggiore resistenza al calore e una superiore resistenza all'usura, dovuta principalmente alla formazione di carburi di tungsteno. Queste caratteristiche rendono gli acciai legati al W particolarmente adatti per le applicazioni di utensili, come gli acciai ad alta velocità e gli acciai per forgiatura a caldo.
Negli acciai per molle di alta qualità, il W agisce come un former di carburi refrattari, che inibisce la formazione di carburi e mantiene la resistenza alle alte temperature. Inoltre, il W riduce la sensibilità dell'acciaio al surriscaldamento, migliora la temprabilità e aumenta la durezza complessiva.
Ad esempio, l'acciaio per molle 65SiMnWA raggiunge un'elevata durezza anche dopo la laminazione a caldo e il raffreddamento ad aria. Gli acciai per molle contenenti W, con sezioni fino a 50 mm², possono essere temprati in olio per ottenere un'elevata durezza e sopportare carichi notevoli, mantenendo una resistenza al calore fino a 350°C.
L'acciaio per molle 30W4Cr2VA, resistente al calore e ad alta resistenza, è un esempio dei benefici dell'aggiunta di W. Questo grado presenta un'eccellente temprabilità e può raggiungere resistenze alla trazione di 1470-1666 MPa dopo la tempra a 1050-1100°C e il rinvenimento a 550-650°C. La sua applicazione principale è nella produzione di molle progettate per ambienti ad alta temperatura fino a 500°C.
Il tungsteno aumenta significativamente la resistenza all'abrasione e le prestazioni di taglio degli acciai, rendendolo un elemento di lega fondamentale negli acciai per utensili. La formazione di carburi di tungsteno duri e stabili contribuisce a migliorare la resistenza all'usura e la conservazione dei taglienti negli utensili da taglio, in particolare quelli che operano ad alte temperature o in condizioni severe.
In sintesi, l'aggiunta di tungsteno all'acciaio conferisce una combinazione di resistenza alle alte temperature, resistenza all'usura e migliori proprietà di taglio, rendendo gli acciai legati al W indispensabili in diverse applicazioni ad alte prestazioni, in particolare nei settori degli acciai per utensili e per molle.
Il piombo (Pb) migliora la lavorabilità dell'acciaio agendo come lubrificante interno durante le operazioni di taglio. Gli acciai contenenti quantità controllate di piombo presentano eccellenti proprietà meccaniche e sono adatti ai processi di trattamento termico. Tuttavia, a causa delle preoccupazioni ambientali e degli effetti dannosi sul processo di riciclaggio dei rottami di acciaio, l'uso del piombo come elemento di lega è stato progressivamente eliminato a favore di alternative più ecologiche.
La limitata solubilità del piombo nel ferro (Fe) impedisce la formazione di soluzioni solide o composti intermetallici. Al contrario, il piombo segrega ai bordi dei grani, adottando una morfologia globulare. Questa segregazione può indurre infragilimento da tempra nell'acciaio entro l'intervallo di temperatura critico di 200-480°C (392-896°F). Inoltre, la presenza di piombo ai confini del grano può compromettere significativamente la saldabilità, portando alla formazione di cricche durante i processi di saldatura. Questi fenomeni metallurgici richiedono un'attenta considerazione nella progettazione delle leghe e dei parametri di lavorazione degli acciai al piombo, in particolare nelle applicazioni che prevedono temperature elevate o operazioni di saldatura.
Le prestazioni di taglio dell'acciaio possono essere notevolmente migliorate incorporando 0,1-0,4% di bismuto (Bi) nelle composizioni di acciaio a taglio libero. Se distribuite uniformemente all'interno della matrice di acciaio, le particelle di Bi fondono a contatto con l'utensile da taglio, agendo come un efficace lubrificante. Questo meccanismo impedisce il surriscaldamento dell'utensile, consente velocità di taglio più elevate e migliora la lavorabilità complessiva.
Recenti sviluppi hanno visto l'aggiunta di Bi a vari tipi di acciaio inossidabile per migliorarne le caratteristiche di lavorazione. Negli acciai a taglio libero, il Bi può esistere in tre forme distinte: come particelle indipendenti all'interno della matrice di acciaio, incapsulato da inclusioni di solfuro o all'interfaccia tra la matrice di acciaio e le fasi di solfuro.
La ricerca ha dimostrato che l'aumento del contenuto di Bi nei lingotti di acciaio a taglio libero S-Bi porta a una riduzione del tasso di deformazione delle inclusioni di solfuro di manganese (MnS). La presenza di Bi-metallo nell'acciaio inibisce efficacemente la deformazione dei solfuri durante il processo di forgiatura dei lingotti di acciaio, contribuendo a migliorare il controllo microstrutturale.
Nelle applicazioni in ghisa, l'aggiunta di 0,002-0,005% Bi ha dimostrato molteplici vantaggi. Migliora le prestazioni di colata della ghisa malleabile, aumenta la tendenza allo sbiancamento, riduce i tempi di ricottura e ottimizza la duttilità dei componenti finali. Inoltre, l'introduzione di 0,005% Bi nella ghisa nodulare determina una migliore resistenza sismica e un aumento della resistenza alla trazione.
Tuttavia, l'incorporazione del Bi nell'acciaio presenta sfide tecniche a causa della sua elevata volatilità alle tipiche temperature di produzione dell'acciaio (circa 1500°C), che rende difficile una distribuzione uniforme. Per risolvere questo problema, i produttori internazionali hanno sviluppato approcci innovativi, come l'utilizzo di piastre in lega Bi-Mn con un punto di fusione inferiore a 1050°C come additivi. Nonostante questi progressi, il tasso di utilizzo del Bi rimane relativamente basso, pari a circa 20%.
Nel campo degli acciai elettrici, i principali produttori di acciaio come Nippon Steel & Sumitomo Metal, POSCO e altri hanno riferito che l'aggiunta di Bi può migliorare significativamente le proprietà magnetiche dell'acciaio al silicio a grani orientati, in particolare il valore B8 (induzione magnetica a 800 A/m). In particolare, Nippon Steel & Sumitomo Metal e JFE hanno depositato oltre cento brevetti di acciaio al silicio orientato ad alto magnetismo che prevedono l'aggiunta di Bi. Queste innovazioni hanno portato a valori di induzione magnetica che raggiungono 1,90T, con alcuni casi eccezionali che raggiungono 1,99T, segnando miglioramenti sostanziali nelle prestazioni dell'acciaio elettrico.
Gli elementi delle terre rare (REE) comprendono la serie dei lantanidi (numeri atomici 57-71), oltre a scandio (21) e ittrio (39), per un totale di 17 elementi. Questi elementi condividono proprietà chimiche simili, che ne rendono difficile la separazione. Le terre rare miste, più convenienti, si riferiscono a combinazioni di REE non separate.
Nella produzione di acciaio, le ETR svolgono molteplici funzioni:
Gli ETR, insieme a Ca, Ti, Zr, Mg e Be, sono molto efficaci nel modificare le inclusioni di solfuro. Se aggiunti in quantità adeguate, trasformano le inclusioni di ossido e solfuro in piccole particelle globulari disperse. Questa trasformazione attenua gli effetti dannosi del solfuro di manganese (MnS) e di altre inclusioni sulle proprietà dell'acciaio.
Nella produzione tipica di acciaio, lo zolfo esiste principalmente come solfuro di ferro (FeS) e solfuro di manganese (MnS). L'elevato contenuto di manganese favorisce la formazione di MnS che, nonostante l'elevato punto di fusione e la capacità di prevenire il cortocircuito a caldo, può allungarsi durante il processo di deformazione. Queste inclusioni allungate di MnS riducono significativamente la plasticità, la tenacità e la resistenza alla fatica dell'acciaio. Le aggiunte di REE sono fondamentali per modificare queste inclusioni e migliorare il processo di deformazione.
Gli ETR migliorano anche la resistenza all'ossidazione e alla corrosione dell'acciaio, superando gli effetti di silicio, alluminio e titanio. Migliorano la fluidità dell'acciaio, riducono le inclusioni non metalliche e promuovono una microstruttura densa e pura. I ruoli principali degli ETR nell'acciaio sono la purificazione, la modifica delle inclusioni e la lega.
Con il miglioramento del controllo del contenuto di ossigeno e zolfo nella produzione di acciaio, le tecniche tradizionali di purificazione e di modifica delle inclusioni stanno diventando meno critiche. Tuttavia, le nuove tecnologie di purificazione e gli effetti di lega che utilizzano gli ETR si stanno affermando. Ad esempio, gli ETR aumentano la resistenza all'ossidazione delle leghe di alluminio ferrocromo e mantengono la struttura dei grani fini a temperature elevate. Ciò si traduce in una maggiore resistenza alle alte temperature e in un prolungamento significativo della vita utile delle leghe elettrotermiche.
In sintesi, gli elementi delle terre rare svolgono un ruolo multiforme nella moderna produzione di acciaio, offrendo vantaggi unici in termini di controllo microstrutturale, modifica delle inclusioni e miglioramento delle proprietà. La loro applicazione continua ad evolversi con il progredire delle tecniche di produzione dell'acciaio, aprendo nuove strade per lo sviluppo di acciai ad alte prestazioni.
In qualità di fondatore di MachineMFG, ho dedicato oltre un decennio della mia carriera al settore della lavorazione dei metalli. La mia vasta esperienza mi ha permesso di diventare un esperto nei campi della fabbricazione di lamiere, della lavorazione, dell'ingegneria meccanica e delle macchine utensili per metalli. Penso, leggo e scrivo costantemente su questi argomenti, cercando di essere sempre all'avanguardia nel mio campo. Lasciate che le mie conoscenze e la mia esperienza siano una risorsa per la vostra azienda.
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