Cosa rende l'acciaio forte e durevole? Il segreto sta nella sua composizione chimica. Questo articolo analizza gli effetti di 19 elementi diversi, come carbonio, silicio e manganese, sulle proprietà dell'acciaio. Dal potenziamento della forza e della tenacità all'influenza sulla saldabilità e sulla resistenza alla corrosione, scoprirete come ogni elemento svolga un ruolo cruciale. Immergetevi per capire come il giusto mix di elementi possa adattare l'acciaio a varie applicazioni, fornendo una visione dell'ingegneria dei materiali.
Il ruolo del carbonio nell'acciaio è un equilibrio delicato. Da un lato, come il contenuto di carbonio aumenta, il carico di snervamento e la resistenza alla trazione dell'acciaio aumentano, ma d'altro canto diminuiscono la plasticità e la resistenza agli urti.
Di conseguenza, il tenore di carbonio deve essere adattato all'uso previsto per l'acciaio. Quando il tenore di carbonio supera 0,23%, le prestazioni di saldatura si deteriorano in modo significativo; per questo motivo il tenore di carbonio degli acciai strutturali basso-legati utilizzati per la saldatura non deve superare 0,20%.
Inoltre, l'eccessivo contenuto di carbonio riduce la resistenza dell'acciaio alla corrosione atmosferica, rendendo l'acciaio ad alto tenore di carbonio vulnerabile alla corrosione in ambienti aperti.
Tuttavia, l'elevato contenuto di carbonio non è del tutto negativo, poiché può anche migliorare la fragilità a freddo e la sensibilità all'invecchiamento dell'acciaio.
Il silicio viene aggiunto come agente riducente e disossidante durante il processo di produzione dell'acciaio, ottenendo un acciaio che contiene 0,15-0,30% di silicio. Quando il contenuto di silicio supera 0,50-0,60%, viene considerato un elemento di lega.
Il silicio può aumentare significativamente il limite elastico, resistenza allo snervamentoe la resistenza alla trazione dell'acciaio, ed è quindi ampiamente utilizzato negli acciai per molle, come il 65Mn e l'82B, che contengono 0,15-0,37% di silicio.
Aggiunta di silicio 1.0-1.2% a temprato e rinvenuto acciaio strutturale può aumentare la sua resistenza di 15-20%.
Inoltre, se combinato con elementi come il molibdeno, il tungsteno e il cromo, il silicio migliora la resistenza alla corrosione e all'ossidazione dell'acciaio e viene utilizzato per produrre acciaio resistente al calore.
L'acciaio a basso tenore di carbonio contenente 1,0-4,0% di silicio ha una permeabilità magnetica estremamente elevata e viene utilizzato per la produzione di lamiere in acciaio al silicio nell'industria elettrica.
Tuttavia, il silicio ha lo svantaggio di ridurre le prestazioni di saldatura dell'acciaio.
Durante il processo di produzione dell'acciaio, il manganese agisce come buon disossidante e desolforatore e l'acciaio contiene tipicamente 0,30-0,50% di manganese.
Se all'acciaio al carbonio viene aggiunto più di 0,70% di manganese, viene considerato "acciaio al manganese".
Questo tipo di acciaio non ha solo un'adeguata tenacità, ma anche una maggiore forza e durezza rispetto all'acciaio normale. Il manganese migliora la temprabilità e la lavorabilità a caldo dell'acciaio; ad esempio, il carico di snervamento dell'acciaio 16Mn è superiore di 40% a quello dell'acciaio A3.
L'acciaio contenente manganese 11-14% ha una resistenza all'usura estremamente elevata e viene utilizzato per applicazioni come le benne degli escavatori e i rivestimenti dei mulini a sfere. Tuttavia, l'elevato contenuto di manganese presenta anche degli svantaggi.
Quando il contenuto di manganese è elevato, l'acciaio è più soggetto alla fragilità da rinvenimento. Il manganese favorisce la crescita dei grani, che deve essere tenuta in considerazione durante il trattamento termico. Quando la frazione di massa di manganese supera 1%, le prestazioni di saldatura dell'acciaio diminuiscono.
Lo zolfo è un elemento dannoso per l'acciaio che proviene dal minerale siderurgico e dal coke combustibile. Nell'acciaio, lo zolfo esiste sotto forma di FeS e forma composti con il Fe che hanno un basso punto di fusione (985°C), mentre la temperatura di esercizio a caldo dell'acciaio è tipicamente di 1150-1200°C.
Di conseguenza, durante la lavorazione a caldo, il composto FeS fonde prematuramente, causando la rottura del pezzo, un fenomeno noto come "fragilità a caldo". Più alto è il contenuto di zolfo, più grave è la fragilità a caldo, quindi il contenuto di zolfo deve essere controllato.
Per l'acciaio di alta qualità, il contenuto di zolfo è inferiore a 0,02-0,03%; per l'acciaio di qualità, è inferiore a 0,03-0,045%; per l'acciaio ordinario, è inferiore a 0,055-0,07%. In alcuni casi, all'acciaio viene aggiunto dello zolfo.
Ad esempio, l'aggiunta di zolfo 0,08-0,20% all'acciaio può migliorarne la lavorabilità al taglio, ottenendo la cosiddetta lavorazione libera.taglio dell'acciaio.
Tuttavia, lo zolfo ha anche effetti negativi sulle prestazioni di saldatura e può ridurre la resistenza alla corrosione.
Il fosforo viene introdotto nell'acciaio attraverso il minerale. In generale, il fosforo è un elemento dannoso per l'acciaio. Sebbene possa aumentare la resistenza e la durezza dell'acciaioriduce notevolmente la plasticità e la tenacità agli urti.
A basse temperature, il fosforo rende l'acciaio significativamente fragile, un fenomeno noto come "fragilità a freddo", che ne deteriora la lavorabilità a freddo e l'affidabilità. saldabilità.
Più alto è il contenuto di fosforo, più grave è la fragilità a freddo, per cui il controllo del contenuto di fosforo nell'acciaio è rigoroso.
L'acciaio di alta qualità ha un contenuto di fosforo inferiore a 0,025%, l'acciaio di qualità ha un contenuto di fosforo inferiore a 0,04% e l'acciaio ordinario ha un contenuto di fosforo inferiore a 0,085%.
L'ossigeno è un elemento dannoso per l'acciaio che entra naturalmente nel processo di produzione dell'acciaio. Nonostante l'aggiunta di manganese, silicio, ferro e alluminio per la disossidazione alla fine della produzione dell'acciaio, non è possibile rimuovere tutto l'ossigeno.
L'ossigeno si presenta nell'acciaio sotto forma di FeO, MnO, SiO2, Al2O3 e altre inclusioni, che ne riducono la resistenza e la plasticità. In particolare, ha un impatto significativo su resistenza alla fatica e la resistenza agli urti.
La ferrite ha una bassa capacità di dissolvere l'azoto. Quando l'azoto è sovrasaturo nell'acciaio, precipita sotto forma di nitruri dopo un lungo periodo di tempo o dopo un riscaldamento a 200-300°C, aumentando la durezza e la resistenza dell'acciaio ma riducendo la sua plasticità e causando l'invecchiamento.
Per eliminare la tendenza all'invecchiamento, all'acciaio fuso possono essere aggiunti Al, Ti o V per il trattamento di fissazione dell'azoto, che fissa l'azoto sotto forma di AlN, TiN o VN.
Il cromo aumenta notevolmente la forza, la durezza e la resistenza all'usura dell'acciaio strutturale e dell'acciaio per utensili, conferendo all'acciaio una buona resistenza all'ossidazione e alla corrosione.
Di conseguenza, il cromo è un importante elemento di lega per l'acciaio inossidabile e l'acciaio resistente al calore. Il cromo migliora anche la temprabilità dell'acciaio ed è un elemento di lega fondamentale.
Tuttavia, il cromo aumenta anche la temperatura di transizione fragile dell'acciaio, incrementa la sua fragilità in fase di tempra e può causare difficoltà nel processo di lavorazione.
Il nichel aumenta la resistenza dell'acciaio, pur mantenendo una buona plasticità e tenacità. Ha un'elevata resistenza alla corrosione da acidi e alcali ed è resistente alla ruggine e al calore ad alte temperature. Tuttavia, poiché il nichel è una risorsa scarsa, al posto dell'acciaio al nichel-cromo vengono spesso utilizzati altri elementi di lega.
Il molibdeno affina la struttura dei grani dell'acciaio, migliora la temprabilità e la resistenza a caldo e mantiene una sufficiente forza e resistenza al creep ad alte temperature (quando si verifica una deformazione sotto sforzo a lungo termine ad alte temperature).
Aggiunto all'acciaio strutturale, il molibdeno ne migliora le proprietà meccaniche e riduce la fragilità. acciaio legato a causa del fuoco. Inoltre, se aggiunto all'acciaio per utensili, il molibdeno ne migliora la durezza rossa.
Titanio è un forte disossidante dell'acciaio. Rende più densa la struttura interna dell'acciaio, ne affina la struttura dei grani, riduce la sensibilità all'invecchiamento e la fragilità a freddo e migliora le prestazioni di saldatura. L'aggiunta di una quantità appropriata di titanio all'acciaio inossidabile austenitico Cr18Ni9 può prevenire corrosione intergranulare.
Il vanadio è un eccellente disossidante dell'acciaio. Con l'aggiunta di vanadio 0,5% all'acciaio, la struttura dei grani si affina e la resistenza e la tenacità migliorano. I carburi formati dalla combinazione di vanadio e carbonio aumentano la resistenza alla corrosione da idrogeno ad alta temperatura e pressione.
Il tungsteno ha un elevato punto di fusione e un'alta densità, che lo rendono un elemento di lega fondamentale. I carburi formati da tungsteno e carbonio hanno un'elevata durezza e resistenza all'usura. L'aggiunta di tungsteno all'acciaio per utensili ne migliora significativamente la durezza rossa e la resistenza al calore, rendendolo adatto all'uso come utensile da taglio e per la lavorazione del metallo duro. stampi per forgiatura.
Il niobio affina la struttura dei grani dell'acciaio e ne riduce la sensibilità al surriscaldamento e la fragilità da tempra, migliorandone la resistenza ma diminuendone la plasticità e la tenacità.
L'aggiunta di niobio agli acciai ordinari basso-legati ne aumenta la resistenza alla corrosione atmosferica e alla corrosione da idrogeno, azoto e ammoniaca alle alte temperature. Il niobio migliora anche le prestazioni di saldatura. Se aggiunto all'acciaio inossidabile austenitico, il niobio previene la corrosione intergranulare.
Il cobalto è un metallo raro e prezioso, utilizzato soprattutto in acciai e leghe speciali, come l'acciaio resistente al calore e i materiali magnetici.
L'acciaio WISCO, ricavato dal minerale Daye, contiene spesso rame. Il rame aumenta la resistenza e la tenacità, in particolare la resistenza alla corrosione atmosferica. Lo svantaggio è che durante la lavorazione a caldo è più probabile che si verifichi una fragilità. Quando il contenuto di rame supera 0,5%, la plasticità si riduce notevolmente, ma quando il contenuto di rame è inferiore a 0,50%, non ha alcun impatto sulla saldabilità.
L'alluminio è un comune disossidante dell'acciaio. Aggiungendo una piccola quantità di alluminio all'acciaio, si affina la struttura dei grani e si migliora la resistenza agli urti, come si vede nell'acciaio 08Al usato per le lamiere per imbutitura. L'alluminio è anche resistente all'ossidazione e alla corrosione.
Se combinato con cromo e silicio, l'alluminio migliora notevolmente le prestazioni di non-copertura ad alta temperatura e la resistenza alla corrosione ad alta temperatura. Tuttavia, l'alluminio influisce negativamente sulla lavorabilità a caldo, sulle prestazioni di saldatura e di taglio dell'acciaio.
L'aggiunta di una piccola quantità di boro all'acciaio ne migliora la compattezza e le proprietà di laminazione a caldo, aumentandone la resistenza.
Gli elementi delle terre rare si riferiscono ai 15 lantanidi con numero atomico 57-71 nella tavola periodica. Questi elementi sono tutti metalli, ma i loro ossidi sono simili a "terra", quindi vengono comunemente chiamati terre rare. L'aggiunta di terre rare all'acciaio modifica la composizione, la forma, la distribuzione e le proprietà delle inclusioni nell'acciaio, migliorando varie proprietà come la tenacità, la saldabilità e la lavorabilità a freddo. L'aggiunta di terre rare al ferro per vomeri migliora la resistenza all'usura.
Vedi anche:
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.
IT 
EN 
AR 
DE 
ES 
FR 
JA 
NL 
PT 
PT_BR 
RU 
KO