TIPOLOGIA DEI MATERIALI IMPIEGATI NELLE COSTRUZIONI E NEGLI IMPIANTI

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1 TIPOLOGIA DEI MATERIALI IMPIEGATI NELLE COSTRUZIONI E NEGLI IMPIANTI MATERIALI FERROSI I materiali ferrosi utilizzati nelle costruzioni meccaniche e negli impianti sono la ghisa e l acciaio, che sono leghe del ferro. Il ferro, allo stato puro, essendo molto tenero, è scarsamente utilizzato. LE GHISE Le ghise sono leghe Fe-C con un tenore di carbonio pari a C = 2,06 6,67 %. Caratteristiche ed impieghi delle ghise La ghisa madre proveniente dall alto forno può essere rifusa con altri rottami di ghisa e di acciaio e correttivi per definire in maniera più precisa la composizione chimica. Le proprietà meccaniche e tecnologiche della ghisa dipendono dalla composizione chimica e dalla velocità di raffreddamento cui è soggetta la ghisa liquida quando viene versata nella forma di terra. 1) Se la velocità di raffreddamento è lenta si ottiene la ghisa grigia (il nome deriva dalla presenza delle lamelle di grafite per cui, alla frattura, la ghisa si presenta grigia). Se la velocità di raffreddamento è veloce si ottiene la ghisa bianca (per la presenza di carbonio sotto forma di carburo di ferro Fe 3 C detto cementite). La ghisa grigia è lavorabile alle macchine utensili, è resistente a compressione, ha una discreta durezza, è fragile, viene utilizzata per produrre pezzi fusi data la sua buona colabilità. La ghisa bianca è durissima, è molto fragile, non è lavorabile. E utilizzata solo per getti. 2) La ghisa risulta costituita principalmente da ferro, carbonio, silicio e manganese. - Il carbonio può essere sotto forma di cementite (che è dura) o di grafite (che è tenera). - Il silicio, quando ha un tenore superiore al 2 %, favorisce la formazione del carbonio granitico. Esso inoltre fa diminuire la resistenza, la durezza e la fragilità della ghisa. Fa aumentare invece la scorrevolezza e la lavorabilità all utensile. - Il manganese favorisce la formazione della cementite ed ha effetto opposto al silicio. 1

2 a) Le ghise sono fusibili (fondono tra i 1150 ed i 1300 ) e colabili (danno getti esenti da soffiature). Si possono ottenere forme anche complicate. b) Le ghise hanno capacità autolubrificante (dovuta alla presenza del carbonio grafitico): basso coefficiente d attrito limitata usura adatte alla costruzione di guide per macchine utensili. c) Le ghise smorzano le vibrazioni adatte alla costruzione di basamenti per macchine utensili. Dal punto di vista delle proprietà meccaniche, le ghise comuni hanno scarsa resistenza a trazione, scarso allungamento, scarsa resistenza agli urti e grande durezza. Vediamo le altre caratteristiche: - Lavorabilità alle Macchine utensili Solo le ghise bianche non legate non sono lavorabili - Lavorabilità per deformazione plastica Praticamente è nulla - Saldabilità In genere è scarsa - Resistenza alla corrosione E buona - Resistenza alle alte temperature Lo scorrimento viscoso dei piani atomi dei reticoli cristalli, che pregiudica le proprietà meccaniche, avviene per temperature maggiori di 400 C. - Conducibilità elettrica La ghisa grigia ha una resistività pari a 1,2 [Ω mm 2 /m] - Dilatazione termica La ghisa grigia ha un coefficiente di dilatazione termica pari a [1/ C] - Massa Volumica E pari a 7,2 [kg/dm 3 ] 2

3 Ghise speciali Le ghise comuni non sono né malleabili né duttili, non sono fucinabili, sono difficilmente saldabili, hanno scarsa resistenza a trazione ed agli urti, ma sono fusibili e colabili per cui sono particolarmente adatte alla produzione di oggetti per via di fusione. Le ghise speciali sono state ideate per raccogliere i seguenti scopi: 1) Ottenere un prodotto che unisca ai pregi della ghisa (colabilità e fusibilità) i pregi degli acciai (tenacità, elasticità, resistenza a trazione, fucinabilità, saldabilità). 2) Ottenere un prodotto avente particolari caratteristiche: resistenza alla corrosione, all usura, al calore. Tra i numerosi tipi di ghisa speciale ricordiamo quelle al Ni, al Ni-Cr, al Ni-Cr-Cu, le ghise sferoidali e le ghise malleabilizzate. Ghise sferoidali Si ottengono direttamente in fonderia trattando la ghisa liquida, colata in siviera dal cubilotto o dal forno elettrico, con l aggiunta di magnesio (5 10 %) e nichel. Questo fa si che la grafite si raccolga non sotto forma di lamelle bensì di noduli rotondeggianti (sferoidi) distribuiti in modo irregolare nella matrice metallica, costituita da ferrite molto tenace. Le ghise sferoidali posseggono ottima resistenza a trazione, buoni allungamenti, buona resistenza all urto, pur conservando elevata durezza e colabilità. Sono fucinabili e saldabili. Esse hanno, quindi, proprietà simili a quelle degli acciai, per esempio: R = 500 [N/mm 2 ] ; A = 10 % ; K = 50 [J/cm 2 ] ; HBS = 270 Ghise malleabili Sono ghise bianche sulle quali é stato fatto un trattamento termico di malleabilizzazione. La ghisa bianca, decarburata, perde così durezza e fragilità, acquistando un certo allungamento, attitudine al piegamento ed un po di resilienza, divenendo così saldabile e lavorabile alle macchine utensili. Nel contempo permane la fusibilità e la col abilità. Ecco i valori di alcune caratteristiche meccaniche: R = [N/mm 2 ] ; A = 8 10 % ; HBS = Designazione UNI delle ghise Le ghise grigie sono designate in funzione delle caratteristiche meccaniche, secondo la Norma UNI EN 1561 del novembre 1998, che sostituisce la UNI ISO 185. Sono previste sei ghise grigie definite in base alla resistenza a trazione e sei ghise grigie definite in base alla durezza Brinell. Il prospetto 1 della Norma in oggetto può essere semplificato nella tabella seguente: 3

4 Designazione della ghisa grigia per getti Diametro del getto grezzo di fonderia in [mm] Resistenza a trazione R m in [N/mm 2 ] su saggio colato separatamente (in grassetto il valore nominale minimo di accettazione) EN-GJL da 100 a 200 Carico unitario di scostamento dalla proporzionalità 0,1% R p0,1 [N/mm 2 ] Allungamento % EN-GJL da 150 a 250 da 98 a 165 da 0,8 a 0,3 EN-GJL da 200 a 300 da 130 a 195 da 0,8 a 0,3 EN-GJL da 250 a 350 da 165 a 228 da 0,8 a 0,3 EN-GJL da 300 a 400 da 195 a 260 da 0,8 a 0,3 EN-GJL da 350 a 450 da 228 a 285 da 0,8 a 0,3 Modulo di elasticità [N/mm 2 ] da a da a da a da a da a Massa volumica ρ [g/cm 3 ] 7,10 7,15 7,20 7,25 7,30 Il getto di ghisa grigia può essere classificato in base ai valori di durezza Brinell: Designazione della ghisa grigia per getti Spessore di parete determinante in [mm] Resistenza a trazione in [N/mm 2 ] su saggio colato separatamente (in grassetto il valore nominale minimo di accettazione) EN-GJL-HB max 155 EN-GJL-HB da 100 a 175 EN-GJL-HB da 120 a 195 EN-GJL-HB da 145 a 215 EN-GJL-HB da 165 a 235 EN-GJL-HB da 185 a 255 Anche le ghise sferoidali sono designate in funzione delle caratteristiche meccaniche, secondala Norma UNI EN 1563 del novembre 1998, che sostituisce la UNI ISO Designazione della ghisa sferoidale Resistenza a trazione R m in [N/mm 2 ] su saggio colato separatamente Carico unitario di scostamento dalla proporzionalità 0,2% R p0,2 [N/mm 2 ] Allungamento % min Modulo di elasticità [N/mm 2 ] Massa volumica ρ [g/cm 3 ] Struttura prevalente EN-GJS ,1 Ferrite EN-GJS ,1 Ferrite EN-GJS ,1 Ferrite EN-GJS ,1 Ferrite EN-GJS ,1 Ferrite-Perlite EN-GJS ,2 Ferrite-Perlite EN-GJS ,2 Perlite EN-GJS ,2 Perlite o Martensite rinvenuta EN-GJS ,2 Martensite rinvenuta (Perlite per getti grandi) 4

5 Il getto di ghisa a grafite sferoidale può essere classificato in base ai valori di durezza Brinell, in aggiunta od in alternativa alla classificazione in base alla resistenza a trazione già vista. Designazione della ghisa sferoidale Durezza Brinell HB Resistenza a trazione R m in [N/mm 2 ] su saggio colato separatamente Carico unitario di scostamento dalla proporzionalità 0,2% R p0,2 [N/mm 2 ] EN-GJS-HB130 meno di EN-GJS-HB150 da 130 a EN-GJS-HB155 da 135 a EN-GJS-HB185 da 160 a EN-GJS-HB200 da 170 a EN-GJS-HB230 da 190 a EN-GJS-HB265 da 225 a EN-GJS-HB300 da 245 a EN-GJS-HB330 da 270 a GLI ACCIAI Gli acciai sono leghe Fe-C con un tenore di carbonio pari a C = 0,008 2,06 %. Gli acciai si possono suddividere in due categorie: acciai comuni e acciai speciali. 1) Acciai comuni Gli acciai comuni (o acciai semplici o acciai al carbonio) sono quegli acciai che contengono impurezze in numero abbastanza elevato ed il tenore degli elementi in lega non é controllato. Eventuali altri elementi sono presenti come residui del processo di fabbricazione. La presenza del carbonio nell acciaio conferisce durezza. Per questo, per gli acciai comuni, é molto utilizzata la seguente classificazione pratica d officina: Acciai extra dolci C < 0,008 % dolci C = 0,008 0,1 % semidolci C = 0,1 0,40 % semiduri C = 0,40 0,55 % duri C = 0,55 0,80 % extraduri C = 0,80 2 % Microstruttura di un acciaio dolce Gli acciai comuni sono utilizzati in tutte quelle applicazioni che non richiedono particolari esigenze (carpenteria, viti, pezzi meccanici ottenuti alle macchine utensili ). Gli acciai aventi carbonio C < 0,2 si possono indurire superficialmente con trattamenti di carbocementazione o di nitrurazione. Gli acciai aventi C > 0,35 % possono aumentare la loro durezza complessiva mediante il trattamento termico di tempra. 2) Acciai speciali Gli acciai speciali, oltre al carbonio, contengono altri elementi in quantità tale da modificare le proprietà meccaniche e tecnologiche. Essi hanno percentuale bassa e controllata delle impurezze ed anche il tenore degli elementi aggiunti é controllato. 5

6 Gli elementi in lega più utilizzati sono: nichel, cromo, molibdeno, tungsteno, vanadio, cobalto, silicio Questi acciai, anche se rappresentano soltanto un quarto della produzione mondiale dell acciaio, risultano i più richiesti per le importati applicazioni tecnologiche e meccaniche che permettono. Caratteristiche ed impieghi degli acciai Gli acciai uniscono nello stesso materiale tre importanti caratteristiche: - buon carico di rottura - buona durezza - buona resistenza agli urti Per questo gli acciai sono utilizzati per costruire organi di macchine soggetti a sollecitazioni (alberi di trasmissione, ingranaggi, bielle ). - Lavorabilità alle macchine utensili E buona. - Lavorabilità per deformazione plastica E buona. - Fusibilità e colabilità L acciaio è scarsamente fusibile perché fonde a oltre 1300 C Anche la colabilità è generalmente scarsa. - Saldabilità Gli acciai sono saldabili. L aumento della percentuale di carbonio diminuisce la saldabilità: riscaldamento alterazione della struttura cristallina 6 fragilità - Resistenza alla corrosione E ottima per gli acciai inossidabili, che hanno più del 12 % di cromo. - Resistenza alle basse temperature L acciaio è fragile alle basse temperature. Le proprietà meccaniche sono pregiudicate già a 15 nel caso di sollecitazioni dinamiche e a 150 nel caso di sollecitazioni statiche. La fragilità alle basse temperature diminuisce con l aggiunta di nichel, silicio e manganese. Gli acciai resistenti alle basse temperature sono detti acciai criogenici.

7 - Resistenza alle alte temperature Lo scorrimento viscoso dei piani atomici dei reticoli cristallini dell acciaio compare per temperature maggiori di 200 C. Il limite suddetto si può innalzare con l aggiunta di molibdeno, titanio, cobalto e tungsteno. - Conducibilità termica L acciaio ha un basso coefficiente di conducibilità termica: 57 [J/m s C] - Conducibilità elettrica L acciaio ha una resistività pari a 0,10 0,25 [Ω mm 2 /m] - Dilatazione termica L acciaio ha un coefficiente di dilatazione termica pari a [1/ C] - Modulo di elasticità Il modulo di elastica E = [N/mm 2 ] risulta il più elevato dei materiali metallici. Quindi gli acciai sono pochissimo deformabili sotto gli sforzi meccanici. - Massa volumica L acciaio ha una massa volumica di 7,8 [kg/dm 3 ] Designazione UNI degli acciai La norma UNI EU (o UNI EU 20) definisce acciaio un materiale in cui il ferro é l elemento predominante e in cui il tenore di carbonio é di regola minore del 2 % e che contiene altri elementi. Un numero limitato di acciai al cromo può avere un tenore di carbonio maggiore del 2 %, ma tale valore del 2 % é il tenore limite corrente che separa l acciaio dalla ghisa. La norma suddetta definisce due classi: acciai non legati e acciai legati. La medesima norma, indica i valori degli elementi aggiunti che delimitano gli acciai non legati da quelli legati. Valori limite di alcuni elementi di alligazione per la suddivisione degli acciai in legati e non legati (da UNI EU 20) Simbolo Elemento Tenore limite Al Alluminio 0,10 B Boro 0,10 Bi Bismuto 0,0008 Co Cobalto 0,10 Cr Cromo 0,30 Cu Rame 0,40 Mn Manganese 1,80 Mo Molibdeno 0,08 Nb Niobio 0,06 Ni Nichel 0,30 Pb Piombo 0,40 Si Silicio 0,50 Ti Titanio 0,05 V Vanadio 0,10 W Tumgsteno (o Wolframio) 0,10 7

8 1) Acciai non legati Sono quegli acciai in cui nessuno dei tenori limiti indicati nel prospetto suddetto é raggiunto. Questi acciai sono classificati in: acciai di base, acciai di qualità e acciai speciali 2) Acciai legati Sono quegli acciai per i quali almeno un limite indicato nel prospetto suddetto é raggiunto. Questi acciai sono classificati in: acciai di qualità e acciai speciali. Nel 1970 la tabella UNI 5372 ha stabilito una designazione convenzionale degli acciai, suddividendoli in due grandi gruppi e successivi sottogruppi. Nel 1977, l UNI ha pubblicato la tabella UNI EU 27, differenziandosi, però, in maniera molto limitata rispetto alla Uni ACCIAI DEL ( Designati in base alle caratteristiche 1 GRUPPO meccaniche ed all impiego ) 1.1 designati in base alle caratteristiche meccaniche 1.2 designati in base al loro impiego ACCIAI DEL ( Designati in base alla 2 GRUPPO composizione chimica) destinati a trattamento 2.1 acciai non legati termico ( solo Fe e C ) per impieghi particolari 2.2 acciai legati ( hanno altri elementi ) debolmente legati ( % < 5 ) fortemente legati (% 5 ) 8

9 Esempi: Fe 370: è un acciaio del 1 gruppo designato in base alle caratteristiche meccaniche (Rm = 370 N/mm 2 ) C 40: è un acciaio del 2 gruppo designato in base alla composizione chimica, non legato (il carbonio ha tenore C = 0,40%) 38 Ni Cr Mo 4: è un acciaio del 2 gruppo designato in base alla composizione chimica, debolmente legato (C = 0,38 % - Ni = 1 % - Cr e Mo non specificati) X 78 W Co 18 05: è un acciaio del 2 gruppo designato in base alla composizione chimica, fortemente legato (C = 0,78 % - W = 18 % - Co = 5 %). Criteri per la scelta degli acciai La scelta del tipo di acciaio per la costruzione di un determinato organo meccanico dipende dalla qualità e dalle caratteristiche che deve possedere l organo nonché dal prezzo e dalla sua lavorabilità. Gli acciai al carbonio ordinari sono i più economici e, spesso, i più facilmente lavorabili. Essi sono utilizzati quando le caratteristiche meccaniche e tecnologiche sono sufficienti. Gli acciai speciali, legati, sono utilizzati quando i pezzi meccanici da costruire devono avere caratteristiche di durezza, tenacità, elasticità... superiori a quelle offerte dagli acciai ordinari. In questo caso anche le sezioni resistenti risultano minori con conseguente maggior leggerezza e minor ingombro. Quando non si ricorre agli acciai al carbonio ordinari, per le costruzioni meccaniche si usano quasi esclusivamente le tre prime categorie del gruppo II (acciai non legati ed acciai legati debolmente). Agli acciai fortemente legati si ricorre in casi particolari (molle, valvole di macchine termiche...). Nella scelta del materiale si dovrà tener conto: Del processo di fabbricazione dei pezzi (fusione, stampaggio...) Delle sollecitazioni cui il pezzo sarà sottoposto Delle condizioni particolari in cui il pezzo dovrà lavorare (ambiente corrosivo, temperatura elevata...) In commercio gli acciai sono disponibili nei seguenti stati di fornitura: Fucinati Trafilati (qualità di lavorazione h11 e H9) Laminati (tolleranza da ± 0,25 a ± 3,5 per diametri da 6 a 175 [mm]) Barre tornite (h9) Barre rettificate (h6 h8) 9