Tecnologia Meccanica Proff. Luigi Carrino Antonio Formisano Ghise e acciai

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1 Ghise e acciai

2 IL FERRO Il ferro è il metallo più importante in ogni settore applicativo tecnologico È il quarto elemento più abbondante della crosta terrestre (4,7%) Si ottiene principalmente dalla riduzione dell ematite (Fe 2 O 3 ) e della magnetite (Fe 3 O 4 ) nell altoforno Altre fonti: FeCO 3 (siderite) e rottami

3 DIAGRAMMA DI STATO DEL FERRO PURO β 768 C punto di Curie

4 COSTANTE RETICOLARE DEL FERRO

5 a [nm] COSTANTE E RAGGIO ATOMICO DEL FERRO t [ C] : valore che assumerebbe la costante reticolare a 911 C se il ferro conservasse il raggio variando solo la struttura da CCC a CFC. Passando da CCC a CFC il ferro ha un aumento di raggio. r [nm] L aumento della costante reticolare non è giustificabile solo con il cambiamento di reticolo: 4R CCC a = CFC t [ C] a = 4R

6 VOLUME SPECIFICO DEL FERRO

7 ACCIAI E GHISE Vengono definiti acciai e ghise le leghe ottenute dalla fusione di minerali di ferro, carbonio e altri elementi. Il tenore del carbonio determina le proprietà dei diversi acciai. Acciai al carbonio 0.03% 1.2% C Alla lega di ferro e carbonio possono essere aggiunti elementi quali: - silicio - conferisce un elevata resistenza, riduce la saldabilità; - rame - ostacola la corrosione; - manganese - aumenta la durezza, diminuisce l'elasticità; - cromo, aumenta la durezza, non riduce l'elasticità.

8 ACCIAI E GHISE

9 DIAGRAMMA Fe C Ferrite α: soluzione solida interstiziale di C in ferro α. La solubilità del carbonio è molto bassa (massima solubilità: 0.02% a 723 C, 0.005% a 0 C) Cementite: composto intermetallico 6.67% C e 93.33% Fe Austenite (γ): soluzione solida interstiziale di carbonio nel ferro γ. La solubilità di C è 2.08% a 1148 C e 0.8% a 723 C Ferrite δ: soluzione solida interstiziale di C in ferro δ. La massima solubilità del C è 0.09 % a 1495 C

10 DIAGRAMMA Fe C L esteso campo di esistenza della fase γ (austenite) rispetto alla fase α (ferrite) riflette la maggior solubilità del carbonio (massimo 2% in peso a 1147 C) nella struttura cubica a facce centrate dell austenite. Austenite (CFC) Ferrite (CCC) Il campo di esistenza della fase α è ristretto, con un contenuto massimo di carbonio pari allo 0.02 % a 723 C; la fase δ è presente solo tra le temperature di 1390 C e 1534 C.

11 REAZIONI INVARIANTI Reazione peritettica: 1495 C Liquido (0.53% C) + Ferrite δ (0.09% C) Austenite (0.17% C) Reazione eutettica: 1148 C Liquido (4.3% C) Austenite (2.08% C) + Fe 3 C (6.67% C) Reazione eutettoidica: 723 C Austenite (0.8% C) Ferrite α (0.02% C) + Fe 3 C (6.67% C) Acciaio ipoeutettoidico < 0.8% > 0.8% 0.8% C Acciaio eutettoidico Acciaio ipereutettoidico

12 A 0 trasformazione magnetica nella cementite [213 C] A 1 trasformazione eutettoidica, austenite γ (0.8% C) ferrite α (0.02% C) + Fe 3 C (6.67% C) [723 C] A 2 ferro α ferro β [768 C] A 3 austenite γ ferrite α (acciaio ipoeutettoidico) A 4 austenite γ ferrite δ austenite γ cementite (acciaio ipereutettoidico) A cm TEMPERATURE DEL DIAGRAMMA Fe C Le trasformazioni sono reversibili ma con fenomeni di isteresi: la T dei punti critici è diversa al riscaldamento e raffreddamento (ed in presenza di elementi di lega). Con c (chauffage) si indicano le trasformazioni al riscaldamento e con r (refroidissement) le trasformazioni al raffreddamento. Esempio: Ac 3 è la temperatura della trasformazione: α γ Ar 3 è la temperatura della trasformazione: γ α

13 DIAGRAMMA Fe C A temperature superiori ai 768 C l acciaio si trasforma da materiale ferromagnetico a materiale paramagnetico. Anticamente questa variazione nelle caratteristiche magnetiche era stata (erroneamente) attribuita ad un cambio di conformazione del reticolo cristallino

14 RAFFREDDAMENTO LENTO DEGLI ACCIAI AL CARBONIO Acciai al carbonio eutettoidici: se un campione viene riscaldato e mantenuto per un tempo sufficiente a 750 C, la struttura diventerà austenite omogenea al di sotto delle temperatura eutettoidica, si formano lamelle di ferrite e cementite Perlite

15 RAFFREDDAMENTO LENTO DEGLI ACCIAI AL CARBONIO Acciai al carbonio ipoeutettoidici: se un campione con 0.4% C viene riscaldato a 900 C, si austenitizza Un successivo raffreddamento determina la formazione di ferrite α proeutettoidica e perlite Perlite

16 DIAGRAMMA Fe C A partire dalla lega in stato di completa austenizzazione (900 C), durante il raffreddamento incontriamo prima il campo bifasico austenite+ferrite, dopodichè alla temperatura di 723 C si ha una trasformazione invariante eutettoidica

17 RAFFREDDAMENTO LENTO DEGLI ACCIAI AL CARBONIO Acciai al carbonio ipereutettoidici: se un campione 1.2% C viene riscaldato e mantenuto un tempo sufficiente a 950 C, la struttura diventa tutta austenitica Un successivo raffreddamento forma cementite proeutettoidica e perlite Cementite proeutettoidica

18 DIAGRAMMA Fe C A partire dalla lega in stato di completa austenizzazione (900 C), durante il raffreddamento incontriamo, prima il campo bifasico cementite+ferrite, dopodichè alla temperatura di 723 C si ha una trasformazione invariante eutettoidica

19 PRODUZIONE DELLE GHISE E DEGLI ACCIAI Nell altoforno, il coke è usato come combustibile e agente riducente degli ossidi di ferro per la produzione della ghisa grezza: Fe 2 O 3 + 3CO 2Fe + 3CO 2

20 PRODUZIONE DELLE GHISE E DEGLI ACCIAI La ghisa grezza ed un 30% di rottame di acciaio vengono caricati in un convertitore con rivestimento refrattario nel quale è inserita una lancia che insuffla ossigeno L ossigeno reagisce con il bagno liquido per formare ossido di ferro FeO + C Fe + CO Vengono aggiunti addensanti di scorie (soprattutto calce) Il contenuto di carbonio e di altre impurità viene abbassato L acciaio fuso viene colato continuamente e formato in differenti forme

21 CLASSIFICAZIONE DELLE GHISE Ghise Bianche: leghe Fe-C-Si con % di C e % di Si; il C si presenta sotto forma di cementite Fe 3 C. Estremamente dure e fragili, difficilmente lavorabili, servono per pezzi resistenti all usura (es:ruote dei treni); non subiscono ossidazione. Ghise Grigie: leghe Fe-C-Si con 2.5-4% di C e 1-3% di Si. Dette anche ghise lamellari, in esse il C si presenta sotto forma di lamelle di grafite. Meno fragili delle precedenti, sono le più utilizzate (es:termosifoni, motori, basamenti).

22 CLASSIFICAZIONE DELLE GHISE Ghise sferoidali: leghe Fe-C-Si con % di C e % di Si. Il carbonio si dispone in agglomerati sferoidali piuttosto che lamellari; questa caratteristica rende il materiale duttile e molto più lavorabile. È necessario rispettare attentamente i canoni di purezza necessari per ottenerla. Ghise malleabili: leghe Fe-C-Si con % di C e % di Si. Il carburo di ferro nella ghisa bianca si decompone in noduli di grafite dalla forma irregolare.

23 PROPRIETÀ DELLE GHISE Elevata durezza ottima resistenza a compressione e usura Ottima colabilità molto adatta per getti Elevata fragilità bassa resistenza a flessione e torsione, bassa resilienza Ottima lavorabilità per asportazione di truciolo Assolutamente non adatta a lavorazioni per deformazione plastica

24 DESIGNAZIONE DELLE GHISE Ghisa sferoidale GS carico di rottura a trazione pari a 400 N/mm 2 con allungamento percentuale del 12% Ghisa grigia G 100 carico di rottura a trazione pari a 100 N/mm 2 Gh 130 per uso automobilistico con durezza minima garantita di 130 (valutata con prova Brinell) Ghisa malleabile bianca (simile ad acciai) GMB 450 carico di rottura a trazione pari a 450 N/mm 2 Ghisa malleabile nera (simile ad acciai) GMN 350 carico di rottura a trazione pari a 350 N/mm 2

25 CLASSIFICAZIONE DEGLI ACCIAI Acciai Comuni Costituiscono il tipo più comune e meno costoso. Comprendono gli acciai di base e di qualità, anche detti acciai da costruzione di uso generale. Sono adatti a resistere soprattutto a sollecitazioni di tipo statico. Acciai di base: non è richiesta alcuna prescrizione di qualità che comporti precauzioni speciali durante il processo produttivo. Acciai di qualità: sono richieste regolarità di risposta ai trattamenti termici.

26 CLASSIFICAZIONE DEGLI ACCIAI Acciai Comuni In base al contenuto di carbonio e alla durezza di tempra si classificano in: - extradolci: utilizzati per lamiere, tubi, bulloni; - dolci: utilizzati per chiodi, ferri da costruzione; - semiduri: utilizzati per componenti di macchine; - duri: utilizzati per rotaie, cavi metallici, tondini per c.a.; - extraduri: utilizzati per coltelli, seghe, molle. %C

27 CLASSIFICAZIONE DEGLI ACCIAI Acciai Speciali non legati: vengono sottoposti ad un trattamento di tempra superficiale; presentano una purezza superiore. Acciai legati: contengono, oltre al ferro ed al carbonio, silicio, manganese, nichel, cromo, che conferiscono particolari caratteristiche meccaniche o chimiche. % degli elementi diversi da Fe e C > 5% (acciaio inox); per gli utensili si aggiungono V, Mo e Co per ottenere acciai rapidi o superrapidi.

28 Ottima plasticità buona resilienza, buona malleabilità e duttilità Elevata resistenza a trazione, flessione e torsione Buona lavorabilità per asportazione di truciolo Buona colabilità Buona saldabilità PROPRIETÀ DEGLI ACCIAI

29 DESIGNAZIONE DEGLI ACCIAI Al fine della loro designazione, gli acciai si distinguono in base alle loro caratteristiche meccaniche e all impiego (1 gruppo) o in base alla loro composizione chimica (2 gruppo). Nel primo caso la composizione chimica della lega è meno rilevante per le caratteristiche meccaniche pur rispettando certi parametri. Nel secondo è proprio la composizione chimica che conferisce le caratteristiche all acciaio; pertanto deve rispettare tolleranze molto ristrette.

30 DESIGNAZIONE DEGLI ACCIAI (1 GRUPPO) In base alle loro caratteristiche meccaniche Fe 240 l acciaio è garantito per un carico di rottura a trazione di 240 N/mm 2. FeE240 - l acciaio è garantito per un carico di snervamento di 240 N/mm 2. Fe 240S l acciaio è garantito per un carico di rottura a trazione di 240 N/mm 2 e gli è stato aggiunto l elemento specificato (S: zolfo).

31 DESIGNAZIONE DEGLI ACCIAI (1 GRUPPO) In base al loro impiego FeG240 l acciaio è garantito per un carico di rottura a trazione di 240 N/mm 2 ed è adatto a essere fuso. FeP240 l acciaio è garantito per un carico di rottura a trazione di 240 N/mm 2 ed è adatto a essere imbutito. FeH240 l acciaio è garantito per un carico di rottura a trazione di 240 N/mm 2 ed è adatto a essere laminato.

32 DESIGNAZIONE DEGLI ACCIAI (2 GRUPPO) Acciai non legati C40 l acciaio ha una percentuale di C garantita tra lo 0,38% e lo 0,42% (40=percentuale di C moltiplicata per 100). Il controllo della percentuale di C è fondamentale per poter sottoporre l acciaio a trattamenti termici volti al conferimento di particolari caratteristiche. GC40 l acciaio ha le stesse caratteristiche del precedente ma è particolarmente adatto a essere fuso. CB40 l acciaio ha le stesse caratteristiche del precedente ma è particolarmente adatto a essere impiegato per bulloneria. CD40 l acciaio ha le stesse caratteristiche del precedente ma è particolarmente adatto per la produzione di vergella.

33 DESIGNAZIONE DEGLI ACCIAI (2 GRUPPO) Acciai debolmente legati (percentuale degli altri elementi in lega inferiore al 5%) 38NiCrMo4 l acciaio ha una percentuale di C garantita tra lo 0,36% e lo 0,4% (38=percentuale di C moltiplicata per 100). Il Ni è un elemento in lega nell 1% circa (1 per il fattore moltiplicativo 4 del Ni). In lega anche Cr e Mo in percentuali inferiori all 1%. Si tratta di un acciaio che dopo trattamento termico è particolarmente adatto a sopportare carichi elevati, anche a fatica, e urti.

34 DESIGNAZIONE DEGLI ACCIAI (2 GRUPPO) Acciai debolmente legati (percentuale degli altri elementi in lega inferiore al 5%) 55Si7 l acciaio ha una percentuale di C garantita tra lo 0,53% e lo 0,57.% Il Si è un elemento in lega in poco meno del 2% (anche il fattore moltiplicativo del Si è 4). È un acciaio adatto, a seguito anche di trattamento, alla costruzione di molle. 100Cr6 l acciaio ha una percentuale di C garantita di circa 1%. Anche il Cr ha un fattore moltiplicativo 4; quindi è presente in lega per l 1,5% circa. È un acciaio adatto, a seguito anche di trattamento, alla costruzione dei cuscinetti a rotolamento.

35 DESIGNAZIONE DEGLI ACCIAI (2 GRUPPO) Acciai fortemente legati (percentuale degli altri elementi in lega superiore al 5%) X10CrNi1808 l acciaio ha una percentuale di C garantita dello 0,1% circa (10=percentuale di C moltiplicata per 100). Il Cr è un elemento in lega nel 18% circa (la X che precede la percentuale di C sta a indicare che i numeri che seguono gli elementi sono esattamente la loro percentuale nella lega). In lega anche Ni nella percentuale dell 8%. Si tratta di un acciaio inossidabile adatto anche per la produzione di stoviglie.

36 DESIGNAZIONE DEGLI ACCIAI (2 GRUPPO) Acciai fortemente legati (percentuale degli altri elementi in lega superiore al 5%) X210Cr13 l acciaio ha una percentuale di C garantita vicina al 2%. Il Cr è presente per il 13%. È un acciaio adatto, a seguito anche di trattamenti, alla costruzione di seghe per il taglio di metalli. X78WCo1805KU l acciaio ha una percentuale di C garantita di circa 0,8%. Altri elementi in lega: il W per il 18% e il Co per il 5%. Le lettere KU indicano che è un acciaio adatto, a seguito anche di trattamento, alla fabbricazione di utensili per il taglio di metalli ad altissima resistenza.