Franco Pratesi. Dal ferro al nichel ARACNE

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1 Franco Pratesi Dal ferro al nichel ARACNE

2 Copyright MMVIII ARACNE editrice S.r.l. via Raffaele Garofalo, 133 A/B Roma (06) ISBN I diritti di traduzione, di memorizzazione elettronica, di riproduzione e di adattamento anche parziale, con qualsiasi mezzo, sono riservati per tutti i Paesi. Non sono assolutamente consentite le fotocopie senza il permesso scritto dell Editore. I edizione: maggio 2008

3 Indice Indice delle figure... 7 Premessa... 9 Parte prima Generalità sulle leghe ferrose Produzione mondiale Designazione Parte seconda Fondamenti strutturali Ferro metallico Diagrammi di fase Fe-C e Fe-Fe 3 C Acciai al carbonio senza trattamenti termici Trasformazioni dell austenite al raffreddamento Trasformazioni della martensite al riscaldamento Fasi e componenti strutturali (ricapitolazione) Acciai legati Principali trattamenti termici Trattamenti di superficie Parte terza Principali leghe ferrose e superleghe Ghise Acciai di base Acciai di qualità Acciai speciali da costruzione

4 6 Indice Acciai da utensili Acciai inossidabili Acciai non comuni Superleghe Bibliografia... 99

5 Indice delle figure Figura 1. Diagrammi di fase ferro-carbonio e ferro-cementite Figura 2. Parte del diagramma di fase ferro-cementite Figura 3. Resistenza meccanica di acciaio al carbonio, ricotto Figura 4. Proprietà meccaniche e incrudimento Figura 5. Velocità critiche di raffreddamento Figura 6. Tipica cinetica di trasformazione di fase Figura 7. Curve TTT per acciaio di composizione eutettoidica Figura 8. Cella tetragonale della martensite: parametri c ed a Figura 9. Reticolo del Fe in austenite, martensite, ferrite Figura 10. Durezza delle fasi di trasformazione dell austenite Figura 11. Curve TTT schematiche: acciai ipo- e ipereutettoidici. 45 Figura 12. Curva TTT per acciaio legato al Cr-Mo Figura 13. Curve CCT schematiche: acciai ipo- e ipereutettoidici.48 Figura 14. Diagrammi di fase Fe-Cr e Fe-Ni Figura 15. Sezioni e relative durezze dopo trattamenti diversi Figura 16. Prova Jominy e temprabilità Figura 17. Stabilità degli acciai inossidabili Figura 18. Acciai maraging e curva limite per leghe ferrose Figura 19. Particelle di fase γ in René

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7 Premessa Questo libro è stato scritto dopo due simili dedicati il primo ai metalli preziosi, il secondo a metalli e leghe non ferrosi. La serie di questi tre libri si intende come una presentazione di insieme delle principali leghe di interesse industriale. Questa rassegna è stata pensata in funzione di studenti di corsi di laurea diversi, e anche di facoltà diverse. Ognuno troverà quindi parti più o meno aderenti al suo specifico programma; qualcosa potrà essere sorvolato, qualcosa potrà avere bisogno di approfondimenti. In particolare gli acciai esaminati in questo volume non potranno essere trascurati da nessuno in quanto costituiscono le leghe di interesse industriale che risultano di gran lunga le più utilizzate. In nessun caso questi libri potranno sostituire i manuali di riferimento contenenti i molti dati necessari per operare nel settore: lo scopo è più modestamente quello di mettere il lettore in condizione di consultare con profitto tali manuali. Può essere importante la successione degli argomenti. Di solito nella didattica, specialmente nei corsi per i quali le proprietà meccaniche sono importanti, si descrivono a fondo gli acciai e si raggruppano tutte le leghe non ferrose in un sintetico capitolo finale. Procedere in senso contrario studiando prima le leghe non ferrose facilita l approccio ai relativi aspetti della metallurgia fisica: il controllo delle fasi metastabili è introdotto preliminarmente in maniera sintetica, per esempio a proposito delle leghe di titanio, e diventa fondamentale, come effettivamente è, con gli acciai, alla fine. Sull ordine migliore da adottare per una trattazione descrittiva delle leghe si può discutere. Rimane però necessaria una parte fissa preliminare che riguarda le basi fisiche della metallurgia. Su queste ho scritto in precedenza altri tre volumi sintetici che qui considero già noti. Sulla struttura cristallina e sulle dislocazioni posso quindi limitarmi ad accennare via via dove e come hanno particolare importanza. Anche sulle proprietà meccaniche non ho bisogno di entrare nel detta- 9

8 10 Premessa glio e nemmeno di fornire spiegazioni sui vari possibili metodi di rafforzamento, con la straordinaria importanza della precipitazione di particelle di seconda fase aventi composizione, dimensione e struttura adatte. Meno frequenti saranno i riferimenti alla struttura elettronica, che potrebbe diventare importante se uno dovesse approfondire le conoscenze sull argomento. In conclusione, quando leggete questo volumetto sugli acciai non dovete supporre che l argomento si possa limitare a queste poche pagine: lo si può fare solo se ci si accontenta di un introduzione generale e se si è già assimilato gran parte dei contenuti dei volumi precedenti, che sono piccoli, ma sono cinque. Firenze, Maggio 2008

9 Parte prima Generalità sulle leghe ferrose Produzione mondiale La produzione mondiale di acciaio ha mostrato una crescita continua e piuttosto regolare fino agli anni 1990, quando si sono avuti notevoli ridimensionamenti legati sia alla crisi petrolifera sia soprattutto al raggiungimento di una capacità produttiva molto elevata in diversi paesi occidentali, tale da indurre per esempio le autorità sovranazionali a imporre riduzioni controllate della produzione dei paesi membri. Possiamo esaminare nella tabella i valori della produzione del 2007 per grandi aree geografiche, espressi in milioni di tonnellate (Mt). Paesi Mt 2007 Europa (27 paesi) 210 Altri paesi europei 30 CIS (Russia, Ucraina, ecc.) 124 NAFTA (Canada, USA, Messico) 133 America centromeridionale 48 Africa 19 Medio Oriente 16 Asia 756 Oceania 9 Totale mondo 1344 Agli inizi del secolo XX la produzione mondiale era di sole 28 Mt e quella dell Italia era praticamente trascurabile, incomparabilmente inferiore rispetto ai maggiori paesi europei, ma quella di paesi che oggi sono i maggiori produttori mondiali come la Cina e il Giappone era ancora minore. Un notevole sviluppo si è avuto dopo la seconda guerra mondiale, 11

10 12 Parte prima come indicato dalla seguente tabella con la produzione mondiale dal 1950 al Anno Milioni di tonnellate Si può controllare che la tendenza alla crescita ha avuto valori abbastanza stabili attorno a 1,5% per quinquennio, eccetto il in cui si ebbe una diminuzione dello 0,5% e il in cui la crescita è salita fino al 6%. Se dalla visione globale si passa a esaminare la situazione nei vari paesi, si trova che l incremento di produzione non è stato generale, ma localizzato. Paesi che producevano molto acciaio si sono fermati al livello raggiunto qualche anno fa o hanno ridotto la produzione, paesi che avevano una produzione poco significativa hanno realizzato grandi progressi in breve tempo. Il valore relativo all Italia è di 32 Mt ed è rimasto quasi costante da diversi anni con nuovo acciaio prodotto dai

11 Generalità sulle leghe ferrose 13 forni elettrici in sostituzione di quello venuto a mancare a seguito della chiusura di diversi stabilimenti a ciclo integrale con altoforni e convertitori. Nel corso degli anni il primato quantitativo della produzione è passato dagli USA all URSS, al Giappone e, sempre più decisamente negli ultimi anni, alla Repubblica Popolare Cinese. La Cina rappresenta anche per l acciaio l elemento nuovo della produzione mondiale. In un primo tempo la rapida industrializzazione ha reso necessarie forti importazioni di acciaio ma nel corso degli anni la produzione interna è aumentata tanto da rendere la Cina il principale produttore mondiale, in grado di far avanzare con il suo contributo l intera produzione mondiale che altrimenti sarebbe stata stagnante, se non in declino. In misura per ora notevolmente minore una tendenza simile si osserva per l India: pur essendo ancora indietro nella scalata si avvia a diventare nei prossimi anni il secondo paese produttore d acciaio su scala mondiale. La cosa non è sorprendente se si inserisce nel noto sviluppo economico e industriale di questi due grandi paesi, come non sorprende il fatto che troviamo oggi frequenti nomi cinesi negli elenchi dei principali produttori di acciaio. Tuttavia, il primato della produzione spetta oggi con ampio margine a una società internazionale nata dalla fusione dei due produttori che già occupavano le prime due posizioni a livello mondiale, la francese (ma in pratica internazionale) Arcelor e l olandese (come sede legale, il nome è quello del principale proprietario, indiano, che ha propri uffici a Londra) Mittal. Il nuovo complesso Arcelor-Mittal produce più di 100 Mt di acciaio all anno, quasi un decimo di tutta la produzione mondiale. Al secondo e al terzo posto con circa 30 Mt troviamo i principali produttori rispettivamente giapponese, Nippon Steel, e coreano, POSCO. Solo settimo US Steel (ca. 20 Mt) e verso il decimo posto troviamo il gruppo italiano Riva e quello tedesco ThyssenKrupp con ca. 17 Mt. Designazione Anche per gli acciai si pone il problema della classificazione e designazione, anzi è facile comprendere come questo problema si pre-

12 14 Parte prima senti con molto maggiore importanza e complessità rispetto alle leghe non ferrose. Tanto per avere un idea dell importanza relativa dei vari elementi metallici, si può ricordare il sistema UNS di origine statunitense ma pensato anche in ottica internazionale. In quel sistema, che usa cinque cifre dopo una lettera per la designazione, la prima lettera corrisponde a un elemento metallico solo nel caso di Al, Cu, Ni, Zn, (A, C, N, Z rispettivamente) mentre altri metalli meno importanti vengono designati raggruppandoli secondo proprietà comuni, usando le lettere iniziali E per terre rare, L per basso fondenti, M per misti, P per preziosi, R per refrattari. D altra parte, solo per le leghe ferrose si introducono invece ben otto diverse lettere iniziali, in modo da distinguere le principali famiglie. Il problema è al solito a due facce. Da una parte c è l esigenza di essere in grado di assegnare una sigla a qualsiasi tipo di acciaio, e di tipi che sono o sono stati in commercio ne esistono innumerevoli, con minime differenze a seconda dei produttori e spesso a seconda delle diverse unificazioni nazionali. Dall altra parte c è l esigenza di restringere il campo ad acciai che siano sufficientemente diversi uno dall altro per evitare la moltiplicazione ingiustificabile di composizioni e proprietà intermedie, per quantità di C e di altri elementi aggiunti. Attualmente in Europa si sono avuti notevoli progressi nella standardizzazione. L ente che se ne occupa è il CEN (Comitato Europeo di Normalizzazione) e in particolare il comitato e il sottocomitato relativi sono ECISS TC 6 (Steels Definition and Classification). Le normative europee sono adottate nei vari paesi in modo da sostituire o accogliere quelle nazionali in uso, dove possibile con adattamenti minimi per tenere conto di particolari esigenze; comunque, in caso di disaccordo, alla fine è sempre la direttiva europea a prevalere. Per quanto ci riguarda le norme europee sono due e precisamente EN e EN La prima, aggiornata nel 2005, assegna una sigla agli acciai abbastanza simile a quelle che erano entrate nell uso in precedenza, dopo lunghissime discussioni e numerose piccole modifiche. La seconda adotta un sistema numerico che non ha più lo scopo di contrassegnare un acciaio qualunque, ma solo un acciaio che se lo merita. Esiste cioè un organismo apposito che assegna un numero agli acciai ritenuti importanti per le applicazioni e

13 Generalità sulle leghe ferrose 15 non ancora rappresentati nel sistema da un acciaio molto simile: entra cioè in gioco insieme l introduzione di un nuovo acciaio e la garanzia se i controllori controllano bene che non sarebbe conveniente utilizzare uno degli acciai già codificato al posto di quello nuovo. Vediamo nell ordine i due tipi di sigle, cominciando dal primo, il più tradizionale come impianto di base. Sigle alfanumeriche Acciai designati in base all impiego o alla resistenza meccanica In precedenza gli acciai di questo primo gruppo erano designati con le lettere iniziali Fe, che ora non si usano più; si usa invece una singola lettera iniziale maiuscola, che già indica il particolare tipo di acciaio e il suo uso principale, come dalla seguente tabella. Simbolo S P L E B Y R H D T M Impieghi Strutturali Sotto pressione Tubi di condutture Costruzioni meccaniche Cemento armato Cemento armato precompresso Rotaie Laminati da imbutitura Per formatura a freddo Banda stagnata o cromata Magnetici Dopo la prima lettera si trovano tre cifre che indicano la resistenza meccanica (intesa prevalentemente come carico unitario di snervamento Y ed espressa dal suo valore numerico in MPa, di tre cifre). Spesso si ritiene necessario completare l informazione con una seconda parte ancora relativa alle proprietà meccaniche: è infatti utile fornire oltre al valore della resistenza anche un indicazione della tenacità,

14 16 Parte prima espressa in questo caso da una sigla di due lettere, o di una lettera seguita da un numero, legata ai valori della resilienza espressa in J, secondo la tabella seguente. Simbolo Temperatura Valore JR 20 C > 27 J KR 20 C > 40 J LR 20 C > 60 J J0 0 C > 27 J K0 0 C > 40 J L0 0 C > 60 J J2-20 C > 27 J K2-20 C > 40 J L2-20 C > 60 J Siamo così arrivati a una sigla complessa formata da una lettera i- niziale, tre numeri di resistenza meccanica, due lettere o una lettera seguita da un numero per indicare il campo di resilienza, sei caratteri complessivi, che costituiscono la forma più comune della sigla alfanumerica di questi acciai. Nella pratica si trovano però ulteriori variazioni. Da una parte, è possibile che gli ultimi due caratteri siano assenti; dall altra possono esserne aggiunti ancora altri per indicazioni ulteriori, e in particolare: Simbolo N C Q G Indicazione Normalizzato Per deformazione a freddo Bonificato Altre proprietà Per esempio, le sigle G1, G2 e G3 si riferiscono allo stato di disossidazione dell acciaio con il significato rispettivamente di effervescente, calmato, da definire. Una sigla completa potrà allora essere per esempio S355J2G3 che

15 Generalità sulle leghe ferrose 17 si potrà leggere come acciaio per impieghi strutturali con Y di 355 MPa, resilienza maggiore di 27 J alla temperatura di -20 C, e stato di disossidazione da definire. Acciai designati in base alla composizione Quando si passa alla designazione del secondo gruppo, in base alla composizione chimica, si conta in genere di ottenere una caratterizzazione di un acciaio che lo identifica una volta per tutte, in una maniera che resta valida (nel dettaglio, a seconda dei trattamenti termici applicati) per le varie possibili applicazioni in cui può venire utilizzato. Di solito, rispetto ai precedenti, aumenta la qualità e il costo. Ai fini della designazione, si prendono in considerazione, a seconda della quantità di elementi aggiunti, tre gruppi di acciai, non legati, debolmente legati, fortemente legati, rispettivamente; un quarto gruppo distinto (almeno agli effetti della designazione) è costituito dagli acciai rapidi. Acciai al carbonio In prima approssimazione questo gruppo raccoglie tutti gli acciai non legati, che si designano semplicemente con la lettera C seguita da un numero che corrisponde alla concentrazione percentuale del C moltiplicata per 100. Come esempio si può citare l acciaio C30, corrispondente a un acciaio non legato contenente lo 0,03% di C. Esaminando la questione in maggiore dettaglio si trova che è vero che tutti gli acciai con designazione che inizia con C sono acciai non legati, ma non è vero il viceversa perché si incontrano eccezioni di acciai che si considerano non legati ma che rientrano in uno dei gruppi successivi: in particolare gli acciai non legati con un tenore medio di Mn 1% sono designati come gli acciai debolmente legati, senza la lettera C iniziale, mentre gli acciai rapidi prendono comunque le lettere iniziali HS anche se non legati. In realtà dicendo C30 si dice qualcosa di più di quanto potrebbe sembrare a prima vista: per prima cosa si deve stabilire una finestra ammessa per la concentrazione di C attorno al valore nominale di

16 18 Parte prima 0,03%. Inoltre, per essere in grado di contrassegnare il dato acciaio con quella sigla, ci dobbiamo preoccupare anche degli elementi che non ci sono: al limite, per la possibile presenza di ogni elemento del sistema periodico si deve dare un valore minimo ammissibile perché le proprietà rimangano quelle di riferimento e l acciaio in questione meriti quella sigla. Per esempio, in diversi tipi di acciai i valori massimi ammissibili per le concentrazioni sono dello 0,35% per il Si e dello 0,035% per S e P. Il vantaggio degli acciai designati in base alla composizione sta principalmente in questa precisione; dalle concentrazioni fissate con esattezza conseguono precise proprietà meccaniche con effetti noti dei possibili trattamenti termici ecc. mentre non sarà mai vero il viceversa, perché alcune proprietà meccaniche identiche potranno corrispondere a composizioni diverse e quindi di solito anche le stesse proprietà meccaniche diventeranno diverse una volta che uno passa, per esempio, dal carico di snervamento alla resistenza a fatica o a creep o all usura. Acciai debolmente legati Gli acciai debolmente legati rappresentano una famiglia intermedia fra gli acciai al carbonio e quelli fortemente legati. Il confine superiore è facile da individuare perché è sufficiente per rientrare in questa famiglia il fatto che nessuno degli elementi aggiunti supera il 5% nella composizione dell acciaio. Dal punto di vista metallurgico non si può affermare che l aggiunta del 5% di un elemento sia equivalente all aggiunta della medesima percentuale di un altro, ma possiamo considerarla tale agli effetti della designazione senza introdurre errori molto gravi. Meno evidente è il limite inferiore perché alle basse concentrazioni non è possibile usare un valore fisso valido per qualunque elemento aggiunto, come potrebbe essere l 1 o lo 0,5%. Il motivo è semplice: l effetto sulle proprietà dell acciaio di piccole quantità dell elemento aggiunto dipende prima di tutto dallo specifico elemento e può variare entro limiti molto ampi. I due casi estremi fra quelli abbastanza comuni si possono considerare il B verso il basso e il Mn verso l alto.

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