Acciai legati: oltre il carbonio c’è di più
Senza ferro e carbonio, la storia dell’acciaio neppure inizia. E lo sappiamo. Però, a volerne saper di più, hai a tua disposizione un gran numero di possibilità di migliorare le caratteristiche chimico-fisiche del il prodotto di ferro e carbonio.
Insomma, puoi contare sulla possibilità di ottenere un materiale adatto alle tue esigenze, per quanto varie, insolite, numerose possano essere. A volte le performance richieste al materiale sono un gran punto di domanda! Ma una via per far luce insieme possiamo sempre trovarla.
Cromo, alluminio, boro e titanio e via andare… è lungo l’elenco degli elementi che possono essere aggiunti in lega facendo arrivare nelle tue mani un materiale ottimizzato sotto diversi profili: mettiamo, tanto per dirne uno, l’aspetto delle caratteristiche meccaniche.
Come si modifica l’acciaio in pratica?
Sarei tentato di affermare che l’acciaio, preso come si deve, è “versatile”. Ti sembra un po’ troppo? Lo ammetto, sto indorando la pillola.
Però occhio, perché è un dato di fatto che taluni elementi aggiunti in lega apportano variazioni alla struttura chimico fisica dell’acciaio. A questo punto ti confiderei la parola d’ordine: approfittiamone!
Restiamo naturalmente nei confini del lecito, oltre che possibile: c’è la normativa e parla chiarissimo: “si definiscono 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”.
L’acciaio e gli alliganti: ti dico chi fa cosa
Gli elementi di lega, naturalmente presenti nell’acciaio o aggiunti per conferire caratteristiche specifiche, determinano alcune modifiche delle proprietà chimico/fisiche del materiale. Ho strutturato per rapidità un elenco. Facilmente ci ritroverai una tua recente o passata ‘situazione’ con materiale da migliorare o migliorato. Ecco qua:
fosforo (massima percentuale tollerata 0,05%) e zolfo (massima percentuale tollerata 0,05%):
- riducono la tenacità dell’acciaio.
idrogeno:
- favorisce la fragilità , nocivo in tenori superiori a 2 ppm;
- induce la formazione di fiocchi.
ossigeno:
- riduce la lavorabilità a caldo;
- abbassa le caratteristiche meccaniche;
azoto:
- promuove l’invecchiamento dell’acciaio al carbonio;
- aumenta la resistenza al pitting negli acciai inossidabili;
- aumenta la resistenza meccanica degli acciai inossidabili;
- stabilizza l’austenite negli acciai inossidabili.
manganese (massima percentuale tollerata 0,8%):
- agisce come desolforante e disossidante;
- in alte percentuali aumenta il tasso di incrudimento.
alluminio:
- dissodante;
- affinante del grano.
silicio (massima percentuale tollerata 0,4%):
- dissodante.
titanio e niobio:
- dissodante;
- denitrurante;
- affinante del grano;
- previene la corrosione intergranulare negli acciai inox.
molibdeno:
- aumenta la temprabilità;
- aumenta la resistenza a caldo;
- aumenta la durezza a caldo e la resistenza all’usura;
- aumenta la resistenza alla corrosione degli acciai inox;
- aumenta la resistenza meccanica ad alta temperatura;
- si usa con concentrazioni notevoli (9% circa) per produrre acciai per utensili.
cromo:
- aumenta la temprabilità;
- aumenta la resistenza all’usura;
- aumenta la stabilità al rinvenimento;
- con concentrazioni superiori al 12% è utilizzato negli acciai inossidabili ferritici e martensitici.
nichel:
- aumenta la resistenza e la durezza dopo la bonifica;
- aumenta di poco la temprabilità;
- partecipa alla resistenza alla corrosione dell’acciaio inox, raggiungendo percentuali molto elevate (25% circa).
vanadio:
- aumenta la resistenza meccanica e la resistenza all’usura;
tungsteno:
- aumenta la resistenza all’usura e la durezza;
- è impiegato con tenori tra il 13 e il 25% negli acciai rapidi per utensili.
rame:
- può provocare cricche a seguito di lavorazioni a caldo;
- migliora la resistenza alla corrosione.
stagno:
- favorisce la fragilità.
È in base alla composizione chimica che si parla di acciai legati
In base alla loro composizione chimica, gli acciai vengono distinti in:
- acciai di base non legati:
- acciai legati o speciali:
Nei primi, i tenori degli elementi di lega rientrano nei limiti indicati dalla UNI EN 10020. Non approfondisco oltre, visto che oggi ho intenzione di dedicarmi ai secondi.
Gli acciai legati contengono, oltre al ferro ed al carbonio, silicio, manganese, nichel, cromo. Sono questi elementi a determinare le ‘alterazioni’ chimico-fisiche che incidono sulle proprietà. Vale sempre la pena di verificare con precisione quale ‘profilo’ di acciaio meglio si adatti alle specifiche richieste del prodotto.
Negli acciai legati, almeno un limite indicato dalla UNI EN 10020 viene superato… ma operativamente come li distinguo? Dai un’occhiata qui! Quando un elemento presente nell’acciaio superi le quantità riportate in tabella, si considera legato:
| Elementi specificati | Tenori limite in % di massa |
| Alluminio (Al) | 0.10 |
| Boro (B) | 0.0008 |
| Bismuto (Bi) | 0.10 |
| Cobalto (Co) | 0.10 |
| Cromo (Cr) | 0.30 |
| Cu (Rame) | 0.40 |
| Lantanidi (La) | 0.05 |
| Manganese (Mn) | 1.65 |
| Molibdeno (Mo) | 0.08 |
| Niobio (Nb) | 0.06 |
| Nichel (Ni) | 0.30 |
| Piombo (Pb) | 0.40 |
| Selenio (Se) | 0.10 |
| Silicio (Si) | 0.50 |
| Tellurio (Te) | 0.10 |
| Titanio (Ti) | 0.05 |
| Vanadio (V) | 0.10 |
| Tungsteno (W) | 0.10 |
| Altri elementi quali Carbonio, Fosforo, Zolfo, Azoto) | 0.5 |
Gli elementi in lega devono essere scelti in funzione del tipo di caratteristica che si vuole incrementare: per esempio il cromo migliora la durezza e la tenacità, mentre il nichel ha effetti benefici sulla resilienza, anche a bassa temperatura, e sulla resistenza a fatica; il molibdeno infine riduce il fenomeno di fragilità al rinvenimento.
Tra gli acciai legati, si osserva poi una ulteriore suddivisione:
- bassolegati o debolmente legati: con tenori inferiori al 5%, la cui designazione viene effettuata riportando il tenore di carbonio moltiplicato per 100, seguito dai simboli chimici degli elementi di lega e dal loro tenore (anch’esso espresso come percentuale in peso) moltiplicato per un opportuno coefficiente correttivo (es. 40 NiCrMo 3, acciaio legato con C=0.40%, Ni=0.75% e tenori di Cr e Mo non precisati), nel caso di getti si antepone la lettera G;
- altolegati: almeno un elemento di lega con tenore superioreal 5%, contrassegnati dalla lettera X, seguita dal tenore di carbonio moltiplicato per 100 e dai simboli chimici degli elementi di lega con il loro tenore inalterato (es. X 15 Cr 13, acciaio inossidabile con C=0.15% e Cr=13%), nel caso di getti la lettera G precede la X iniziale.
Ti presento 16 acciai legati. C’è anche il ‘tuo’?
Acciai al nichel
Come legante il nichel produce una sensibile variazione del coefficiente di dilatazione termica. L’acciaio INVAR, il più comune tra quelli al nickel (tenore: 36%), ha un coefficiente di dilatazione termica estremamente ridotto. L’acciaio con il 20% di nichel, ha al contrario ha un coefficiente di dilatazione termica estremamente elevato: si usa infatti accoppiarlo con l’INVAR per produrre le lamine bimetalliche, che si incurvano moltissimo al variare della temperatura e sono usate per esempio negli interruttori elettrici di sicurezza. Tutte le altre proprietà subiscono forti oscillazioni.
Vantaggi
- abbassa la temperatura di ricottura e tempra (perché abbassa i p.ti critici);
- abbassa la velocità critica (possibile la tempra con olio), quindi maggiore anche penetrazione di tempra;
- migliora la tenacità;
- non peggiora la deformabilità dell’acciaio.
Svantaggi
- non è desiderato negli acciai da nitrurazione (forma con l’azoto dei nitruri fragilissimi) e in quelli da utensili.
Acciai al manganese
Il manganese è solubile nel ferro in tutte le proporzioni. Come deossidante e desolforante, è sempre presente, in piccole concentrazioni (0,3%), nell’acciaio. Quando si parla di “acciai al Mn” si parla di una percentuale almeno pari all’1%.
Il manganese aumenta la penetrazione della tempra negli acciai, ma diminuisce la resilienza rendendoli più fragili, a meno di opportune precauzioni nel rinvenimento. Il manganese aumenta in generale la durezza e la resistenza all’usura. L’aumento di durezza e di caratteristiche meccaniche (con bassa diminuzione di tenacità) avviene in esercizio: il plastico reticolo CFC (cubico a facce centrate) permette infatti un forte incrudimento per bassi carichi (anche impulsivi). Gli acciai al manganese sono adatti all’uso nelle casseforti e spesso usati nella costruzione di pezzi di grosse dimensioni, con richiesta di 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. La struttura martensitica di questi acciai, troppo fragile, non si usa mai.
Vantaggi
- abbassa la temperatura di ricottura e di tempra;
- abbassa la velocità critica, migliora la penetrazione di tempra;
- diminuisce le deformazioni di tempra;
- aumenta la tenacità;
- aumenta molto la resistenza a trazione (100N/mm² ogni 1%);
- indiretta migliore deformabilità a caldo perché desolfora e deossida.
Svantaggi
- abbassa conducibilità termica (preriscaldo);
- sensibilità al surriscaldo: ovvero ingrossamento del grano perlitico;
- bassa lavorabilità agli utensili: si fanno casseforti.
Acciai al cobalto
Il cobalto è il solo elemento in grado di aumentare la velocità critica e quindi diminuire la penetrazione della tempra. Non si ossida, aggiunto in ogni momento rende più stabile la martensite e di conseguenza la lega meno sensibile al rinvenimento. La lavorabilità a caldo è ridotta.
Acciai al rame
Aggiunto in qualunque momento e lo si ritrova tutto nell’acciaio a fine colata. Il segregamento a bordo grano migliora lievemente le caratteristiche meccaniche. Saldabilità fino a 0,6% e lavorabilità a caldo fino a 1,7%. 0,30% per resistenza agli agenti atmosferici.
Acciai all’azoto
Specifica azione sul fenomeno dell’invecchiamento, allarga il campo e stabilizza l’austenite.
Acciai all’alluminio
Favorisce la separazione della grafite e ostacola la diffusione del carbonio. Con l’azoto fa nitruri durissimi (acciai da nitrurazione). Potente deossidante (come il Si), bisogna evitarne l’ossidazione perché l’allumina, come inclusione metallica, è dannosa. Conferisce resistenza all’ossidazione a caldo e alta resistività (resistenze elettriche a caldo). Peggiora la saldabilità.
Acciai al cromo
In quantità superiori al 10.5%, il cromo rende l’acciaio inossidabile e resistente agli agenti chimici. Ha elevata tendenza a formare carburi, aumenta la durezza e il limite di elasticità dell’acciaio. Gli acciai al cromo sono usati per cuscinetti, valvole di motore a combustione, parti di impianti termici e chimici. Siccome tende ad ossidarsi, va aggiunto perciò nel periodo riducente.
Acciai al molibdeno
Il molibdeno appartiene allo stesso gruppo del cromo, per cui forma carburi complessi molto duri e stabili. Aumenta la penetrazione degli effetti della tempra negli acciai, mantenendo le caratteristiche meccaniche della tempra anche a temperature elevate. 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.
Acciai al cromo-molibdeno
Nell’acciaio al cromo-molibdeno si ritrovano i vantaggi apportati tanto dal cromo quanto dal molibdeno, cioè elevate doti di temperabilità e durezza. Rispetto ad un acciaio non legato, presenta maggiore resistenza ai carichi, minore peso specifico, e più elevata resistenza alla trazione. È 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.). Gli acciai al Cr-Mo non sono apprezzati soltanto per la resistenza a temperatura ambiente, infatti si adoperano per realizzare tubazioni e recipienti per alte temperature data la loro ottima resistenza allo scorrimento viscoso (creep) dovuta al Mo in forma sostituzionale nella matrice di Fe e alla presenza di carburi dispersi di Mo e di Cr.
Acciai al nichel-cromo-molibdeno
Sono i migliori in assoluto per le caratteristiche meccaniche (carico di rottura = Rm = 1200 N/mm²). Si usano 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.
Acciai al silicio
È un acciaio dolce a basso tenore di carbonio, con circa l’1% di silicio: molto duro, ha una notevole resistenza alla fatica e un limite di snervamento 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 la tempra; difficile anche da zincare o da cromare. L’aggiunta di silicio aumenta moltissimo la resistenza elettrica e la permeabilità magnetica del materiale, rendendolo adatto per la costruzione di circuiti magnetici di trasformatori e di macchine elettriche rotanti. Il silicio ha una notevole influenza sulle proprietà elettriche e magnetiche dell’acciaio.
Vantaggi
- elevati durezza, resistenza e limite di snervamento.
- negli acciai per molle dove si sfrutta l’aumento del rapporto Rs/R.
- aumenta la temprabilità perché riduce la velocità critica di raffreddamento;
- dà resistenza agli acidi e all’ossidazione a caldo;
Svantaggi
- effetto dannoso sulla cementazione
- dannoso sulla deformabilità a caldo e freddo: dopo il 6% sono possibili solamente getti;
- dannoso per la saldabilità, forma dei silicati nella ZTA.
- tendenza al surriscaldo (ingrossa il grano).
Acciai al titanio
Il titanio appartiene al gruppo del cromo; chiude il campo delle fase Gamma con l’1% in massa ed è perciò usato per gli acciai inossidabili austenitici. Dà facilmente indurimento per precipitazione. Molto affine a ossigeno e azoto (usato come deossidante e deazoturante), tende a formare carburi sottraendo carbonio alla matrice. Contrasta la formazione di austenite negli acciai con alto tenore di cromo e riduce la durezza e la temprabilità negli acciai a medio tenore di cromo.
Acciai al vanadio
Il vanadio è del gruppo del cromo (1% chiude austenite). Deossidante (va aggiunto in secchia). Forma tanti carburi, quindi sottrae carbonio dalla matrice (diminuisce indirettamente la temprabilità). Aumenta la stabilità a caldo (stabilità tagliente acciai rapidi). Come il tungsteno, il vanadio conferisce agli acciai estrema durezza anche a temperature elevate. Si distinguono gli acciai al vanadio-tungsteno, detti acciai rapidi, e gli acciai al vanadio-tungsteno-cobalto, detti acciai super-rapidi, per le superiori velocità di taglio che possono sopportare. Si usano per costruire utensili da tornio, frese, trapani.
Acciai al tungsteno
Aggiungendo il tungsteno – che ha effetti simili a quelli del molibdeno – all’acciaio, si ottiene una lega estremamente dura e resistente al calore, con ottima temprabilità, usata soprattutto per costruire utensili.
In relazione al del tenore di tungsteno si distinguono due tipi di acciai:
- l’acciaio rapido con lo 0,5-1,3% di carbonio, il 14-26% di tungsteno e il 3-7% di cromo: non perde la tempra fino al calor rosso (600 °C) e quindi consente elevate velocità di taglio; fra gli acciai per utensili è il più alto-legato;
- l’acciaio autotemprante con tenore di carbonio dell’1-2% e di tungsteno dal 5% al 7%: così chiamato perché ha una velocità critica di tempra (velocità di raffreddamento) tanto bassa che può temprarsi in aria dopo il riscaldamento in campo austenitico.
Acciaio al piombo (automatico)
Con piccole quantità di piombo, bismuto, tellurio o zolfo, è un acciaio dolce per usi generici, le cui caratteristiche principali sono la truciolabilità e l’ottima lavorabilità con macchine utensili: da qui le denominazioni “automatico” o “AVP” (alta velocità piombo).
Acciai al boro
Il boro aumenta la temprabilità degli acciai bassolegati mantenendo bassi costi. Sono da 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.
Acciai legati e SteelBetter
Concluso il “tour” dedicato agli acciai legati, direi che è arrivato il momento di parlare un po’ di noi e di quello che possiamo fare per te che leggi. SteelBetter si occupa dei trattamenti termici. Poiché ne eseguiamo moltissimi sull’acciaio, è giocoforza che conosciamo questo materiale ‘per filo e per segno’.
Ma non sono qui per dirti che la so lunga sul mio mestiere. Invece, voglio propormi come interlocutore preparato e affidabile, oltre che sempre a tua disposizione. Il numero di telefono che vedi è proprio ‘vero’ e se lo componi dall’altra parte trovi me. Idem per le email: ho da fare qualcosina, ma tranquillo che il tempo di rispondere lo trovo sempre.
Immagino per un attimo un nostro eventuale incontro. Tu hai appena finito di scorrere questi miei appunti e mi dici: ok, ho capito tutto sugli acciai legati. So anche come orientarmi se dovessi riconoscerli. Ma ho una domanda… E io risponderei. Sono qui apposta!
La domanda potrebbe essere: ma anche gli acciai legati, come quelli non legati, si possono trattare termicamente? Una bella questione da porre a un trattamentista. Benissimo: la risposta è sì! Tanto gli acciai debolmente legati quanto gli acciai fortemente legati sono destinati a subire trattamenti termici.
Non è tutto così semplice come nella mia fantasia, ma è lì che SteelBetter vuole arrivare: a parlare con te. A spiegarti non solo che si può fare, ma anche come.
Pronto per un’altra ‘infornata di dati tecnici? Giuro che è l’ultima. Per stabilire correttamente le modalità di esecuzione dei trattamenti termici devo conoscere la composizione chimica dell’acciaio (quantità di carbonio e degli eventuali elementi in lega presenti). La norma prevede che la designazione sia formata da vari elementi, come ti ho accennato già e ora ti mostro in tabella:
| Tipi di acciaio | Simbolo iniziale | Cifre distintive della caratteristica principale | Simbolo chimico degli elementi in lega | Cifre indicanti i tenori del principali elementi in lega |
| Acciai debolmente legati | G solo per acciai per getti | Tenore di C (in%) moltiplicato per 100 | Simboli chimici degli elementi in lega che caratterizzano l’acciaio | Tenori dei principali elementi in lega (in %) moltiplicati per 4 o per 10 o per 100 o per 1000, secondo l’elemento |
| Acciai fortemente legati | X XG per acciai per getti |
Tenore di C (in%) moltiplicato per 100 | Simboli chimici degli elementi in lega che caratterizzano l’acciaio | Tenori dei principali elementi in lega (in %) |
La designazione può essere seguita da altre lettere o numeri che indicano ulteriori caratteristiche quali l’impiego. Per evitare valori decimali nelle designazioni degli acciai debolmente legati, la percentuale degli elementi in lega in essi contenuti è moltiplicata per fattori moltiplicativi che variano a seconda dell’elemento.
| Simboli chimici | Elementi chimici | Fattori |
| Cr Mn Si Co W Ni |
Cromo Manganese Silicio Cobalto Tungsteno Nickel |
4 |
| Al Be Cu Mo Pb Ta Ti V Zr Nb |
Alluminio Berillio Rame Molibdeno Piombo Tantalio Titanio Vanadio Zirconio Niobio |
10 |
| N P S |
Azoto Fosforo Zolfo |
100 |
| B | Boro | 1000 |
Non ti dico certo una novità se parlo del fatto che i trattamenti termici vengono fatti proprio per indurre nelle proprietà di un acciaio cambiamenti profondi, a volte più significativi d quelli che si producono con le variazioni della composizione chimica dell’acciaio stesso. Ie trasformazioni che un trattamento termico può produrre nei valori di resistenza, snervamento, allungamento, contrazione, tenacità e modulo elastico possono veramente lasciare stupefatti.
Prima di passare a ipotizzare di effettuare uno dei vari trattamenti termici vanno presi in seria considerazione i punti critici dell’acciaio. Cosa intendo per ‘punto critico’ o ‘punto di trasformazione’? Con queste parole indico la temperatura alla quale si produce, nel corso del riscaldo e del raffreddamento dell’acciaio, un cambiamento di fase. Avere le idee molto chiare su questi aspetti mi tutela quando poi vado operativamente a eseguire i diversi cicli.