Acciaio sempre più lavorabile. La risposta è: automatico
Le macchine utensili progrediscono incessantemente ed esprimono di conseguenza esigenze di produttività sempre più pressanti. La richiesta si ripercuote direttamente sui materiali che da quelle macchine devono essere lavorati.
Si cerca dunque di conferire ai materiali più spiccate attitudini alla lavorabilità: nel caso degli acciai, ad esempio, si cerca di facilitare l’asportazione di truciolo.
Gli acciai automatici (o per lavorazioni meccaniche ad alta velocità) sono appositamente realizzati per essere lavorati su macchine automatiche con asportazione di truciolo, come torni a controllo numerico e centri di lavoro.
Peculiarità degli acciai automatici
Gli acciai automatici, indicati anche come acciai “per lavorazioni meccaniche ad alta velocità” o “ad alta lavorabilità”. Si tratta di acciai dolci per usi generici, con piccole quantità di piombo, bismuto, tellurio o zolfo.
La loro caratteristica più importante è la truciolabilità e l’ottima lavorabilità con macchine utensili (da qui la denominazione automatico). Sono indicati anche -proprio per l’elevata lavorabilità – con la sigla AVP (Alta Velocità Piombo).
Piombo e zolfo, in particolare, sono elementi idonei a garantire una maggiore truciolabilità e quindi permettono di lavorare a velocità più elevate aumentando le capacità produttive. Al contempo vengono anche preservati gli utensili.
Gli acciai automatici vengono commercializzati sotto forma di barre laminate, barre trafilate o rotoli senza trattamento termico.
Alcuni possono essere utilizzati al naturale. Altri possono però essere normalizzati o ricotti prima della finitura. Altri, ancora invece, sono specifici:
- per trattamenti termici di bonifica con percentuali di carbonio tra 0,32% e 0,50%
- per cementazione con percentuali di carbonio tra 0,07% e lo 0,18%.
Le normative di riferimento sono:
- UNI 10087 per gli acciai automatici forniti allo stato laminato a caldo;
- UNI 10277-3 per le barre in acciaio automatico finite a freddo.
Sono facilmente lavorabili anche con le alte velocità di taglio delle macchine automatiche per asportazione di truciolo, come torni a controllo numerico e centri di lavoro, con elevata produttività. Questa prerogativa è particolarmente richiesta nelle produzioni di grandi serie, dove sono usate macchine a controllo numerico completamente automatico, come torni a controllo numerico e centri di lavoro.
La maggiore truciolabilità, oltre che permettere di lavorare a velocità più elevate incrementa la produttività. Gli elementi presenti in lega conferiscono però ulteriori particolarità:
- lo zolfo assicura lo spezzettamento del truciolo,
- il piombo riduce l’attrito tra utensile e pezzo, prolungando la vita degli utensili.
Perché preferire gli acciai AVP
In termini più specifici, esistono poi parametri che vanno ad influenzare la lavorabilità alle macchine utensili. Eccoli:
- composizione chimica
- forma e distribuzione dei solfuri di manganese
- struttura a bande
- incrudimento e caratteristiche meccaniche
Vediamo ognuno di essi nel dettaglio:
Composizione chimica
Carbonio C: la norma europea per i prodotti finiti a freddo prevede un contenuto di carbonio C ≤ 0,14 %. Di norma l’acciaio viene fornito con un tenore di carbonio C ≤ 0,10 %; l’inconveniente dell’eccessiva duttilità, tipica di acciai a basso tenore di carbonio, viene corretto con apposite riduzioni di trafilatura.
Silicio Si: la norma europea per i prodotti finiti a freddo prevede un contenuto di silicio Si ≤ 0,05 %. Questo elemento è estremamente deleterio per la lavorabilità e dev’essere contenuto in tenori ridottissimi. Esso infatti si fissa con l’ossigeno contenuto nell’acciaio portando alla formazione di inclusioni abrasive che riducono la vita dell’utensile. Inoltre influisce negativamente sulla morfologia dei solfuri di manganese. I migliori risultati di lavorabilità si raggiungono con un tenore di silicio Si ≤ 0,02 %.
Manganese Mn: è presente nell’acciaio sotto forma di solfuri di manganese o disciolto nella matrice ferritica. Il suo tenore può variare da 0,90 % a 1,50 %.
Fosforo P: si trova disciolto nella matrice ferritica; contribuisce ad aumentare la durezza e la fragilità dell’acciaio favorendo lo spezzettamento del truciolo. La norma europea per i prodotti finiti a freddo prevede un contenuto di fosforo ≤ 0,11 %.
Zolfo S: è presente nell’acciaio sotto forma di solfuri di manganese; rappresenta uno dei parametri determinanti ai fini della lavorabilità. Il contenuto di zolfo può variare da 0,27 % a 0,40 %.
Piombo Pb: è insolubile nel ferro; tende ad associarsi alle inclusioni non metalliche presenti nell’acciaio oppure lo si trova sotto forma di particelle elementari. Agisce da lubrificante, riduce il coefficiente d’attrito fra utensile e truciolo e la formazione del tagliente di riporto. La norma europea prevede un contenuto di piombo compreso fra 0,20 % / 0,35 %.
Ossigeno O: se presente nell’acciaio allo stato “libero” (come ossigeno non legato a Si ed Al) favorisce la formazione ed il mantenimento di solfuri di forma tondeggiante, prerogativa essenziale per una buona lavorabilità alle macchine utensili.
Alluminio Al: è deleterio per la lavorabilità e dev’essere contenuto in tenori ridottissimi. In caso contrario, provoca la formazione di inclusioni di allumina con effetti estremamente dannosi per la vita dell’utensile.
Elementi indurenti: il contenuto di elementi quali Ni, Cr, Mo ecc. dev’essere limitato. Preferibilmente, la loro sommatoria dovrebbe essere inferiore allo 0,30 %.
Forma e distribuzione dei solfuri di manganese
La morfologia dei solfuri consente di prevedere il comportamento del truciolo e quindi il rendimento in termini di lavorabilità. In generale si ritiene che solfuri di forma sferoidale (basso rapporto lunghezza/spessore), uniformemente distribuiti, favoriscano la rottura del truciolo causando discontinuità nella matrice dell’acciaio. Al contrario, solfuri piccoli e filiformi danno uno scarso contributo alla lavorabilità, provocando anzi la formazione di truciolo allungato e rapida usura dell’utensile.
Struttura a bande
Intuitivamente si può pensare che la presenza di bande favorisca la frammentazione del truciolo, quindi migliori la lavorabilità, nelle operazioni di foratura. Per contro non dovrebbe evidenziare effetti notabili nelle operazioni di tornitura. La cosa è piuttosto controversa; in generale si ritiene che una marcata presenza di bande sia comunque dannosa.
Incrudimento di trafilatura e caratteristiche meccaniche
Una buona lavorabilità dipende non solo dall’analisi, ma anche dalla durezza del materiale a dalla sua duttilità (si dice di metallo avente la proprietà di lasciarsi modellare o deformare). Spesso la durezza più bassa non è quella più vantaggiosa ed in linea generale si ritiene che quanto più elevata sia la duttilità, tanto più sia ridotta la lavorabilità. Un’eccessiva duttilità rende l’acciaio pastoso al taglio dando luogo ad una cattiva finitura. Un dosato incrudimento a freddo, realizzabile tramite trafilatura, permette un miglioramento di entrambe le caratteristiche,conferisce cioè durezza e corregge l’eccesso di duttilità.
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Gli acciai automatici a basso tenore di carbonio non sono destinati al trattamento termico, anche se molto spesso vengono cementati o carbonitrurati. Possiamo valutare tutte le ipotesi, in relazione al prodotto che hai in mente e al materiale di partenza… soprattutto se devi ancora sceglierlo.
Le tipologie più diffuse di acciai automatici ad alto tenore di carbonio per il trattamento di bonifica sono SAE 1144Pb e 365MnPb24: i pezzi ottenuti si possono bonificare o, in alternativa, le barre possono essere consegnate già allo stato bonificato.