Acciai: influenza degli elementi di lega. Influenza del Nichel (Ni)

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1 Acciai: influenza degli elementi di lega Influenza del Nichel (Ni) Ni = 25-28% perdita proprietà magnetiche Ni = 36-38% massimi e minimi di diverse proprietà Ni = 78% massimo permeabilità magnetica Durante l elaborazione della colata il Ni non prende parte ad alcuna reazione, ma viene aggiunto nella prima parte (bagno effervescente) perché la ferro lega di Ni contiene H. Il Ni non forma carburi Il Ni favorisce la grafitizzazione del C Diminuiscono T ricottura e tempra Diminuiscono velocità critiche Aumenta la penetrazione di tempra Aumenta la tenacità, a parità di R m Non peggiora la deformabilità a freddo ed a caldo 141

2 Influenza del Manganese (Mn) E completamente solubile in tutte le proporzioni. Ha un comportamento simile al Ni. Tutti gli acciai contengono un po di Mn (viene utilizzato come disossidante e desolforante, %). Le strutture martensitiche sono troppo fragili Caratteristiche positive Diminuisce T ricottura e tempra Aumenta penetrazione di tempra Diminuisce v raffreddamento critica e le deformazion di tempra Aumenta la tenacità a parità di R m Aumenta R m (100MPa/1%Mn) Migliora deformabilità a caldo Caratteristiche negative Diminuisce conducibilità termica Diminuisce deformabilità a freddo Aumenta la sensibilità al surriscaldo Diminuisce la lavorabilità per acciai austenitici Peggioramento proprietà magnetiche ed elettriche Inconvenienti nella cementazione 142

3 Influenza del Cobalto (Co) Non si ossida e può essere aggiunto alla colata in qualsiasi momento Aumenta la velocità critica (diminuisce la penetrazione di tempra) Favorisce la grafitizzazione Rende più stabile la martensite Influenza del Rame (Cu) Può essere aggiunto in qualunque momento Migliora le caratteristiche a caldo Fino allo % migliora la resistenza alla corrosione atmosferica Influenza dell Azoto (N) Aumenta leggermente R m, A%, Z% Stabilizza austenite 143

4 Influenza dell Alluminio (Al) Ha un energico effetto disossidante Forma con l azoto dei nitruri durissimi Conferisce resistenza all ossidazione a caldo Peggiora la saldabilità Influenza del Cromo (Cr) Forma carburi stabili Diminuisce la conducibilità termica Finchè la struttura è perlitica, R m aumenta senza diminuzione di A, Z, K Conferisce stabilità al rinvenimento ala struttura temprata Aumenta la resistenza alla corrosione ed alla ossidazione Influenza del Titanio (Ti), Tantalio (Ta) e Niobio (Nb) Formano composti intermetallici tipo Fe 3 Ti, con conseguente indurimento per precipitazione Ti è un forte disossidante Formano carburi 144

5 Influenza del Molibdeno (Mo) Appartiene allo stesso gruppo del Cr e forma carburi duri e stabili Può essere aggiunto in qualsiasi momento Con il 3% si chiude il campo γ, al 10% si chiude il campo α, oltre si forma Fe 3 Mo 2 Aumenta la temprabilità Ha un ottimo effetto indurente Aumenta la stabilità della martensite a T elevata Aumenta il limite di fatica e di scorrimento a caldo Diminuisce effetto di surriscaldamento Elimina la fragilità al rinvenimento Influenza del Vanadio (V) Simile al Cr, forma carburi Potente disossidante Legandosi con il C, diminuisce la temprabilità Affina il grano Aumenta la resistenza a caldo 145

6 Influenza del Tungsteno (W) Meno ossidabile del Fe, può essere aggiunto in qualsiasi momento Aumenta temprabilità Notevole effetto indurente Può sostituire (con una % doppia) il Mo Comporta una limitata conducibilità termica Influenza del Silicio (Si) E sempre presente e si parla di acciai al Si per tenori superiori al 1% Aumenta R ed HV mentre K, A, Z diminuiscono Diminuisce la v critica e quindi aumenta la temprabilità Conferisce resistenza agli acidi ed all ossidazione a caldo Riduce la velocità di diffusione del C (quindi effetto negativo sulla cementazione) Influenza dannosa sulla deformabilità a caldo Sensibilità al surriscaldo (ingrossamento del grano) 146

7 Influenza dello Zolfo (S) A seguito della formazione di un eutettico bassofondente (988 C) a bordo grano, si ha la fragilità a caldo dell acciaio Ni, Co, Mo formano solfuri con punti di fusione ancora più bassi Cr, Zr, Mn formano solfuri a distribuzione puntuale non dannosa con elevate T di fusione. Questi solfuri migliorano la lavorabilità a caldo Peggiora la resilienza, specialmente con elevato C Fino allo 0.2% non si hanno peggioramenti evidenti. Si richiede comunque un tenore inferiore allo ed anche allo per l elevata tendenza alla segregazione nella parte centrale del lingotto. Data la miscibilità praticamente nulla, lo zolfo da luogo ad inclusioni non metalliche che diminuiscono il limite di fatica 147

8 Influenza del Fosforo (P) Simile allo S, per P%>0.2% la resilienza diviene nulla Il tenore limite è più basso dello 0.2%, in quanto il P si scioglie anche nell acciaio anche allo stato solido. Per acciai particolarmente tenaci si arriva a tenori inferiori allo 0.02% Influenza dell Ossigeno (O) Peggiora le proprietà meccaniche Peggiora le proprietà fisiche Aumenta la sensibilità al surriscaldo Peggiora la lavorabilità a caldo Dato che la solubilità dell O nel Fe è praticamente nulla, tutto l ossigeno contenuto è quello nelle inclusioni non metalliche Influenza dell Idrogeno (H) Fa diminuire A, Z, K Può far formare i fiocchi durante il raffreddamento del pezzo 148

9 Designazione alfanumerica (UNI EN parte 1 ) Gruppo 1: acciai designati in base al loro impiego ed alle loro caratteristiche meccaniche o fisiche; Gruppo 2: acciai designati in base alla loro composizione chimica (suddivisi in quattro sottogruppi). Gruppo 1 - un simbolo principale, che indica la caratteristica meccanica o fisica oppure l impiego - un numero pari alla valore minimo della proprietà meccanica o fisica che deve essere specificata 149

10 Gruppo 1 Si suddivide in 4 sottogruppi: - Sottogruppo 1 (%Mn<1) Lettera C Tenore C moltiplicato per Sottogruppo 2 (%Mn>1, tenore complessivo elementi di lega <5%) Tenore C moltiplicato per 100 Simboli chimici elementi caratterizzanti Tenore elementi caratterizzanti (x fattore) - Sottogruppo 3 (acciai legati, eccetto acciai rapidi, in cui almeno un elemento è > 5%) Lettera X Tenore C moltiplicato 100 Simboli chimici elementi di lega Tenore elementi di lega - Sottogruppo 4 (acciai rapidi) Lettere HS Tenore dei seguenti elementi: W, Mo, V, Co 150

11 Designazione precedente (UNI EU 27) Si possono considerare 5 grandi categorie di acciai acciai da costruzione di uso generale; acciai speciali da costruzione; acciai da utensili; acciai per usi particolari; acciai inossidabili. 151

12 Acciai da costruzione di uso generale Sono posti in opera senza trattamento termico, al massimo, dopo normalizzazione. Si richiede unicamente di possedere un certo valore minimo di R s Ciò può essere ottenuto mediante: Affinamento del grano mediante precipitati fini Incrudimento per deformazione plastica a freddo Rafforzamento per soluzione solida (Mn, Si) Rafforzamento per dispersione di precipitati (in presenza di Nb, Ti, V) Presenza di bainite e/o martensite Per costruzioni saldate, bullonate e chiodate %C max %P max %S max %N max Fe360B Fe410D Fe510D Hanno R s <500 MPa, bassi valori di R s /R m ed A%<26 152

13 Si introducono elementi di lega per aumentare Rs con una buona resilienza ed accettabile resistenza alla corrosione atmosferica. L incremento del tenore di C è il modo più semplice per ottenere elevati valori di R s Esistono delle relazioni empiriche che permettono di correlare la resistenza meccanica R con la composizione chimica: R = R Fe + R C + Σ R El Influenzato dal trattamento termico Indipendente dal trattamento termico 153

14 Ad esempio: R = 300+ n 1000 %C (%Si ) (%Mn-%C)+ 40 %Ni %Cr %Mo %V + 50 %Al Con: n = 1 T rinv = 600 C n = 2.3 T rinv = 450 C n = 3.8 T rinv = 200 C n = 4 T rinv = 150 C 154

15 Altre composizioni chimiche %C %Mn %Si %Cr %Ni altri V,Mo Norm V, Mo Bon Nb,V HSLA Cu Corten V,Cu Corten %S < 0.02 %P <

16 Acciai speciali da costruzione.1<%c<0.6 aumenta R m, R s ma fa diminuire la enacità.2<%mn<0.4 (<2 molle) aumenta un po la esistenza.2<%si<0.4 (<2 molle) aumenta R m ed il rapporto s/r m Cr<3, %Ni<5 aumentano la resistenza, igliorano la tenacità.2<%mo<0.5 elimina il fenomeno della fragilità al invenimento (importante negli acciai da itrurazione), aumenta R m V<0.2 migliora notevolmente R m,r s ha un forte ffetto di affinamento del grano Al<1 negli accia da nitrurazione <0.1 aumenta la temprabilità utilizzato nel passato negli acciai da bonifica al osto del Mo b completamente insolubile, aumenta la avorabilità 156

17 Variazione della resistenza meccanica, per gli acciai speciali da costruzione, al variare di T rinv Si possono considerare in questo gruppo: acciai da bonifica acciai da nitrurazione acciai da cementazione acciai per molle acciai autotempranti acciai speciali per cuscinetti a rotolamento acciai per funi acciai per particolari applicazioni acciai maraging 157

18 Acciai da bonifica Sono adatti a sopportare sforzi, urti e vibrazioni. I valori massimi degli elementi di lega sono: 0,2<%C<0,6 %Mn< 1,65 %Ni < 4,2 %Cr < 2,2 %Mo< 0,6 %V<0,35 158

19 Alcuni acciai da bonifica: %C %Mn %Cr %Ni %Mo C C Cr CrMn CrMo NiCrMo NiCrMo MPa Proprietà meccaniche (valori minimi di R m ed R s [MPa] e di A% e K [J]) R m R s A% K C C Cr CrMn CrMo NiCrMo NiCrMo

20 Acciai da nitrurazione Dopo bonifica, sono sottoposti al trattamento d nitrurazione (50 ore a 525 C). Il Mo viene aggiunto per evitare il problema della fragilità al rinvenimento %C<0,5 %Al<1 %Cr<1,7 %Mo<0,3 %C %Cr %Mo %Al 31CrMo CrAlMo %Mn 0.6 %Si<0.40 %S<0.035 %P<0.030 R m R s A% KCU 31CrMo CrAlMo

21 Acciai da cementazione Sono sottoposti al trattamento termochimico, seguito da una tempra ed un rinvenimento a 150 C. Il tenore di C è basso sia per avere una buona cementazione, che per avere una elevata tenacità ne cuore %C < 0.2 %Mn < 2 %Ni < 5 %Cr < 2 %Mo < 0.5 C Mn Cr Ni Mo C C MnCr CrMo NiCr CrNi NiCrMo NiCrMo

22 Acciai per molle Si distinguono dagli altri acciai per l elevato valore di R s, ottenuto agendo sia sulla composizione chimica che sulla temperatura di rinvenimento ( C invece di 600 C). Nel caso degli acciai non legati si utilizzano tenori di C piuttosto elevati, mentre nel caso degli acciai legati il tenore di C è inferiore, con valori più elevati di Si e Mn. (<2%) %C %Mn %Si %Cr R s [MPa] C C Si SiCrNi quest ultimo con Ni=0.6 e Mo=

23 Acciai autotempranti Sono quegli acciai che prendono tempra dopo un semplice raffreddamento all aria. Essi vengono rinvenuti a 200 C. Si ottengono in tale modo delle resistenze elevatissime (2000MPa) con una tenacità soddisfacente. %C+%Ni+%Cr = 5-7 0,3<%C<0,5 3<%Ni<6 1<%Cr<2 Dopo ricottura, tali acciai hanno struttura perlitica. Esempio: 34NiCrMo 1 6 %C=0.34; %Mn=0.45; %Si=0.30; %Cr=1.80; %Ni=3.95; %Mo=0.35 Evoluzione proprietà meccaniche 34NiCrMo1 6 con la T di rinvenimento 163

24 Acciai speciali per cuscinetti da rotolamento i impiegano acciai ipereutettoidici che, dopo attamento di ricottura, assumono struttura globulare he coincide con la massima lavorabilità e predispone acciaio alla tempra. S<0.03; %P<0.03; %S+%P<0.05 %C %Mn %Cr %Ni %Si %Mo 00Cr NiCr CrMo < <

25 Acciai per funi Il prodotto è caratterizzato da una elevata resistenza a trazione, resistenza alla torsione, resistenza piegamento, tenacità. Tali caratteristiche sono ottenute con una scelta ottimale della composizione chimica (%C), della deformazione plastica (grado di incrudimento), trattamento termico (patentamento) Normalmente 0.2<%C<0.9. Si parte da una struttura perlitica fine, tenore di inclusioni non metalliche molto ridotto, limitata segregazione ed assenza di decarburazione superficiale. Si deve trafilare con una riduzione di sezione fino al 90-95% senza trattamento termico intermedio. Si possono ottenere R m = 1770MPa. Esempio: S<0.03%; 0.15<%Si<0.35; 0.4<%Mn<

26 Acciai speciali da costruzione per particolari applicazioni Si ricordano gli acciai per lavorazioni ad elevata velocità, con percentuali notevoli di S oppure con un contenuto non trascurabile di Pb %C %Mn %Si %S %P 10S SMn SMnPb

27 Acciai speciali da costruzione con elevatissime caratteristiche Acciai maraging Non è necessaria la presenza del C, anzi è dannosa (%C<0.03) Σ El < 30% 17<%Ni<25 3<%Mo<5 7<%Co<9 in più si hanno Ti ed Al La trasformazione martensitica avviene anche in condizioni isoterme La martensite ha un reticolo CCC La durezza HRC 30 (invece di 45) La tenacità è ottima La struttura resta invariata fino a circa 500 C Sono sottoposte al processo di invecchiamento della martensite (Martensite Ageing) Si ottiene un rapporto R s /R m prossimo ad 1 167

28 La scelta del tenore del Ni è dettata dalle seguenti considerazioni: Se Ni<17, la struttura resta parzialmente ferritica Se Ni>23 si ha della austenite residua non trasformata La presenza del Mo e del Ti aumenta notevolmente l isteresi della trasformazione α/γ Si possono ottenere valori di R s =1950MPa, con R m =2000MPa 168

29 Trattamento termico di Maraging Laminazione o fucinatura Riscaldamento a 820±25 C Raffreddamento in aria fino a T ambiente Solubilizzazione composti intermetallici Struttura completamente martensitica Permanenza a 480±15 C per 3-6h (Maraging) Precipitazione composti intermetallici %Ni %Co %Mo %Ti %Al 8Ni Ni

30 Acciai per utensili Le caratteristiche che, da sole o combinate, vengono richieste a questi acciai sono: Elevata durezza a caldo ed a freddo Elevata capacità di taglio Insensibilità all addolcimento per rinvenimento Elevata penetrazione di tempra Insensibilità alle spaccature per oscillazioni termiche Buona resistenza all usura Per ottenere queste proprietà si ricorre a valori elevati del %C (>0,6) ed all aggiunta di W, Mo, V, Cr, Co, Mn, Si Da ricordare che: La temperatura di austenitizzazione >> Ac 3, in modo da solubilizzare i carburi precedentemente precipitati (rischio ingrossamento grano) Durante la tempra i vari elementi di lega modificano fortemente le curve CCT Durante il rinvenimento la durezza aumenta notevolmente grazie alla precipitazione dei carburi 170

31 Influenza dei vari elementi C (fra 0.25 e 2%): è sempre presente ed è l elemento più importante per aumentare la durezza, sia per la formazione di martensite che di carburi. Mn (<0.5%): Ha azione disossidante e facilita la formazione dei carburi Si (<0.5%): Ha azione disossidante e aumenta la resistenza all ossidazione. Cr (<13%): Aumenta la temprabilità e forma carburi V (<0.2): Forma carburi W, Mo (rispettivamente<20 e 10%): Formano carburi ed aumentano la resistenza all usura ad elevata temperatura Co (5-20%): Non forma carburi ma aumenta comunque la durezza ad elevata temperatura Si possono distinguere: Acciai per lavorazioni a freddo Acciai per lavorazioni a caldo Acciai rapidi 171

32 Acciai per lavorazioni a freddo Tali acciai sono caratterizzati da una elevata durezza a freddo (>55HRC) ma da una bassa durezza a caldo. Si possono distinguere gli acciai per utensili al C e gli acciai legati per lavorazione a freddo. Acciai per lavorazioni a caldo (T>300 C) Sono caratterizzati da una resistenza al rinvenimento, da una insensibilità all ingrossamento del grano e da una buona conducibilità termica. La loro durezza a temperatura ambiente è compresa fra 40 e 55 HRC e resta ad un buon livello a caldo, grazie alla precipitazione di carburi in forma finemente dispersa. 172

33 Acciai rapidi Sono caratterizzati da una durezza molto elevata alla temperatura ambiente (>60HRC) e da una ottima durezza a caldo. Queste proprietà sono ottenute mediante l aggiunta importante di elementi carburigeni (W, Mo, V) associati al Cr (miglioramento della temprabilità) ed, eventualmente, al Co. Acciai semi rapidi (v. taglio 15 m/min) %C 0.8; %Cr 4; %W 8; Mo; V Acciai rapidi (v. taglio 30 m/min) Non si usa Co;il W è spesso sostituito dal Mo Acciai super rapidi (v. taglio 40 m/min) 0.7<%C<1.4; Cr 4; %W >12; V; Co; Mo 173

34 Acciai inossidabili Sono delle leghe a base di ferro resistenti ad un gran numero di ambienti corrosivi, in un campo esteso di temperatura. L elemento indispensabile perché un acciaio sia inossidabile è il Cr che deve essere presente almeno con un tenore minimo del 12%. Gli elementi di lega hanno una influenza sulla struttura di tipo: ALFAGENO (come il Cr) GAMMAGENO (come il Ni) 174

35 Si può utilizzare il diagramma di Schaeffler (valido per le leghe dopo solidificazione), che permette di determinare la microstruttura dominante, nota la composizione chimica e la velocità di raffreddamento. Ni eq = %Ni + 30 %C %Mn Cr eq = %Cr + %Mo %Si %Nb Questi acciai vengono usualmente classificati in base alla microstruttura e, spesso, viene per essi utilizzata la designazione americana AISI. Serie 400: acciai inossidabili ferritici e martensitici Serie 300: acciai inossidabili austenitici 175

36 Acciai inossidabili martensitici (posseggono A 3 ed A 1 ) Sono caratterizzati da una notevole temprabilità e la loro velocità di raffreddamento critica corrisponde a quella relativa ad un raffreddamento in aria I trattamenti tipici di questi acciai, che vengono effettuati nei diversi stadi di lavorazione, sono la ricottura, la tempra ed il rinvenimento. Per quanto riguarda il rinvenimento: per T rinv <430 C si ha la migliore resistenza alla corrosione per 600 C<T rinv <760 C si ha la migliore tenacità per 430 C<Trinv<570 C si ha il rischio di fragilità al rinvenimento Solitamente 150 C<T<430 C 176

37 Impiego a basse temperature Impiego ad elevate temperature Gli acciai martensitici non vengono impiegati ad elevata T per non eliminare gli effetti della bonifica, a parte l AISI 410 (fino a circa 650 C). 177

38 Acciai inossidabili ferritici (non hanno A 3 ed A 1, e non sono induribili per tempra) Il rischio maggiore è l ingrossamento del grano. Per 400 C< T< 600 C si ha la fragilità al rinvenimento per 550 C< T< 850 C si ha la precipitazione di fase σ Possono essere sottoposti a ricottura (per migliorare resistenza meccanica ed alla corrosione) ed a ricristallizzazione 178

39 Impiego a basse temperature La temperatura di transizione (piuttosto elevata) può essere abbassata diminuendo il tenore degli elementi interstiziali (C+N) Impiego ad elevate temperature Gli acciai ferritici hanno una elevata resistenza all ossidazione (crescente al crescere della %Cr). L AISI 446 può resistere fino a 1100 C 179

40 Acciai inossidabili austenititci (hanno A 3 ed A 1 < 20 C) ono esposti al pericolo della sensibilizzazione ( C), che, in determinate condizioni, rende ossibile l attacco corrosivo intergranulare. er ovviare a tale problema si può: Diminuire la % di C (fino a 0.02%) Aggiungere elementi di lega stabilizzanti (Nb,Ti), ffettuando il trattamento di stabilizzazione (885 Ch) Effettuare un trattamento di solubilizzazione 1000 C) ra i trattamenti termici si può ricordare anche la istensione (a C) che viene effettuato solo n taluni casi 180

41 Impiego a basse temperature Impiego ad elevate temperature Si può avere: Precipitazione di carburi Segregazione fase σ 181

42 Acciai per impieghi a bassa T - fino a 0 C : Acciai al carbonio effervescenti e semicalmati; - fino a 20 C : Acciai al carbonio calmati; - fino a 45 C : Acciai al Mn ( 1%) calmati e normalizzati; - fino a 80 C : Acciaio 1.5% Ni normalizzato; - fino a 103 C : Acciaio 3.5% Ni normalizzato e rinvenuto a 620 C; - fino a 196 C : Acciaio 9% Ni sia bonificato che normalizzato e rinvenuto; - fino a 269 C : Acciai inossidabili austenitici. Acciai per impieghi ad elevata T Devono resistere allo scorrimento viscoso ed alla ossidazione - fino a 450 C Acciai al C (%C<0.2, %Mn<1.6, 0.15<%Si<0.5,%S e %P<0.04); Acciaio con C (0.16%) e Mo (0.5%) - fino a 520 C Acciaio con Cr (1%) e Mo (0.5%); - fino a 600 C Acciaio con Cr (2.25%) e Mo (1%); - fino a 1100 C Acciai inossidabili ferritici (AISI 446). 182

43 Acciaio al 13%Mn (acciaio Hadfield) X120Mn12 Amagnetico, estremamente tenace, ha una elevatissima capacità di incrudimento e viene utilizato quando si prevedono delle sollecitazioni contemporanee di urti ed abrasione. Ha una lavorabilità a freddo nulla. Per %Mn>12 si ottiene austenite stabile a 20 C. La composizione tipica è: %C= %Mn=11-14 %Si<0.7 Aumenta Rs Raffreddamento lentissimo Stabilizza austenite Si ottengono piccoli quantitativi di perlite e carburi di Fe e Mn Riscaldamento a 1050 C Si solubilizzano i carburi Raffreddamento in H 2 O 183

44 Ghise Sono leghe ferrose che durante la solidificazione formano, almeno in parte, l eutettico ledeburitico Il passaggio dal diagramma metastabile (linee continue a quello stabile (linee tratteggiate) è legata alla decomposizione della cementite: Fe 3 C 3Fe+ C 184

45 Nel caso delle ghise, l influenza dei vari elementi di lega, oltre a riguardare la microstruttura (elementi alfageni e gammageni) e la capacità di formare precipitati (ossidi, carburi, nitruri), deve considerare anche la capacità di agevolare la decomposizione della cementite, ovvero il loro effetto grafitizzante. Il fenomeno della grafitizzazione dipende: - dalla velocità di raffreddamento (natura della parete del getto, grandezza del pezzo), con la grafitizzazione che viene agevolata da velocità di raffreddamento basse. - dalla presenza di elementi grafitizzanti, quali il Si, o di antigrafitizzanti, quali il Mn. I tenori negli elementi normali di elaborazione, Mn, Si, P, sono normalmente più elevati che negli acciai. 185

46 IlSi è l elemento grafitizzante per eccellenza Il tenore di C corrispondente all eutettico (C e ) diminuisce secondo la relazione: C e = Si/3.2 IlNi ha un effetto grafitizzante 4 volte inferiore a quello del Si Al, Ti, Zr hanno una influenza simile a quella del Si Il Cu è un debole grafitizzante e promuove la formazione di perlite IlCr promuove la formazione di carburi Così pure Mo, V, Mn, W Ta stabilizza i carburi 186

47 Influenza della velocità di raffreddamento sulla microstruttura Se si considera un tondo di diametro φ crescente, al centro si avranno velocità di raffreddamento via via sempre minori 187

48 Gli elementi di grafite sono classificati in base a (UNI ): Forma Distribuzione Dimensione Forma degli elementi di grafite I) Lamelle sottili con punte aguzze II) Noduli con accentuate ramificazioni di lamelle III)Lamelle spesse con punte arrotondate IV) Flocculi frastagliati V) Flocculi compatti VI) Noduli a contorno circolare, quasi regolare (sferoidi) 188

49 Distribuzione degli elementi di grafite A) Distribuzione uniforme B) Rosette non orientate C) Lamelle non orientate D) Lamelle in zone interdendritiche E) Lamelle interdendritiche 189

50 Le ghise sono tradizionalmente classificate nei seguenti gruppi: ghise grigie, così chiamate dal colore scuro delle superfici di frattura, grazie alla presenza di carbonio grafitico; ghise bianche, così chiamate dal colore chiaro delle superfici di frattura, per la presenza del carbonio sotto forma di cementite; ghise malleabili, così chiamate per la loro elevata deformabilità; ghise sferoidali, in cui gli elementi di grafite si trovano sotto forma sferoidale; ghise legate, che, grazie ad elevati tenori di alcuni elementi di lega, sono caratterizzate da particolari proprietà, come la resistenza al calore ed alla corrosione. 190

51 Ghise grigie Sono dette tali dal colore della superficie di frattura 2 < %C < < %Si < 3 Durante la solidificazione si forma l eutettico grafite-cristali γ. Per ottenere la resistenza di un getto di ghisa grigia si utilizza il seguente nomogramma HB provetta } R provetta R getto HB getto 191

52 Le curve σ - ε non seguono la legge di Hooke E è determinata arbitrariamente con delle formule empiriche oppure con la pendenza fra l origine ed un punto corrispondente ad una sollecitazione pari ad 1/4 R m Hanno una buona resistenza all usura e lavorabilità (per asportazione di truciolo). Sopra i 300 C si hanno: - grafitizzazione e formazione carburi - processi di ossidazione e corrosione - trasformazioni allotropiche 192

53 Ghise bianche Il carbonio si trova legato a formare cementite. La ghisa solidifica e raffredda secondo il sistema metastabile. Per ottenerla si possono modificare la composizione chimica oppure la velocità di raffreddamento 2.5 < %C < 3.5 (dipende dalla durezza desiderata) %Si < 0.7 Cr (di solito <2%, può arrivare al 27%) favorisce la formazione di carburi Cu produce un affinamento della struttura Mo ha un comportamento simile a quello del Cr V forma e stabilizza i carburi Te stabilizza i carburi B simile al Te, affina anche il grano Necessitano di un trattamento a C per C Si Mn Cr Ni Mo S P HB Hanno una elevata resistenza all usura ed all abrasione, ma sono più fragili e più dure delle ghise grigie. eliminare le tensioni residue 193

54 Ghise malleabili Sono ottenute da ghise bianche Sono caratterizzate da una certa plasticità a freddo Si ottengono mediante malleabilizzazione Si possono avere due processi di malleabilizzazione: a cuore bianco a cuore nero Ghise malleabili a cuore bianco Riscaldamento a C in ambiente decarburante (Fe 2 O 3 ) Permanenza per un tempo sufficiente ( h) Raffreddamento a T ambiente molto lento Grafitizzazione Diffusione del C Decarburazione superficiale Piccole sezioni: matrice ferritica Grosse sezioni: matrice perlitica 194

55 Ghise malleabili a cuore nero Riscaldamento a 950 C in ambiente neutro Permanenza per un tempo sufficiente Grafitizzazione Diminuzione della solubilità del C nella austenite Raffreddamento a T ambiente molto lento Matrice prevalentemente ferritica La grafite che si ottiene è sotto forma di noduli di ricottura 195

56 Ghise sferoidali La grafite precipita sotto forma di noduli Sono duttili %C = %Si = 2-3 %Mn = %P < 0.01 %S < 0.02 Gli elementi che permettono la sferoidizzazione della grafite sono Mg, Ce, Ca, Li, Na, Ba. 196 %Mg residuo =

57 Trattamenti termici Stabilizzazione ( C): per eliminare tensioni interne Ricottura ( C): per ottenere una struttura ferritica, per ottenere la massima deformabilità plastica Normalizzazione (900 C): per ottenere struttura perlitica Bonifica Tempra superficiale alla fiamma Tempra superficiale ad induzione 197

58 Ghise resistenti alla corrosione %Si > 3 promuove la formazione di una pellicola superficiale protettiva negli ambienti ossidanti %Cr < 35 favorisce la formazione di un ossido protettivo agli ambineti ossidanti %Ni < 32 migliora la resistenza agli ambienti riducenti %Cu < 6 migliora la resistenza all acido solforico R m = MPa Ghise al Si Ghise al Cr Ghise al Ni %C %Si %Mn %Ni - < %Cr %Cu - <3 <7 %Mo <3.5 <4 <1 198

59 Ghise resistenti al calore Non si deve avere una eccessiva dilatazione per grafitizzazione La penetrazione dell ossigeno deve essere perlomeno limitata Si deve avere una buona resistenza alla criccatura per urto termico Si, Cr promuovono la formazione di uno strato protettivo Ni, Mo aumentano la tenacità ed R m ad elevata T Mn, P, Cr, Mo, V riducono dilatazione della ghisa, in quanto stabilizzano i carburi Ghisa lamellare Ghisa sferoidale Al Silicio Al Cromo Al Nickel %C <2.9 %Si %Mn %Ni - < %Cr R m = MPa (matrice perlitica) R m = MPa (matrice austenitica) 199

60 Leghe di Alluminio (Al) L Al puro è caratterizzato dalle seguenti proprietà: R m = MPa R e = MPa HB = 18 E = 66,6 GPa I prodotti commerciali dell alluminio sono tipicamente leghe contenenti Cu, Si Zn, Mg e Mn 1xxx 2xxx 3xxx 4xxx 5xxx 6xxx 7xxx 8xxx Al di purezza industriale Leghe contenenti Cu Leghe contenenti Mn Leghe contenenti Si Leghe contenenti Mg Leghe contenenti Mg + Si Leghe contenenti Zn Altre leghe 200

61 Trattamenti termici leghe Al Omogeneizzazione: Sono dei riscaldamenti effettuati a C per 6-48 ore effettuati per disciogliere tutte le fasi eventualmente precipitate. Trattamenti di addolcimento: hanno lo scopo di addolcire un metallo indurito (p.e. a seguito di tempra strutturale). Se si tratta di restaurazione viene effettuata a C, mentre se si tratta di una recristallizzazione si effettua a C per ore Tempra di soluzione (o tempra strutturale) + invecchiamento (naturale o artificiale) 201

62 Leghe di Rame (Cu) L Al puro è caratterizzato dalle seguenti proprietà: R m = MPa R e = 7-30 MPa HB = 40 E = 117 GPa Le leghe più diffuse sono quelle con: Zn (ottone) Sn (bronzo) Si (bronzo al silicio) Al (bronzo all alluminio o cupralluminio Ni (cupronichel, monel) 202

63 Saldatura degli acciai La saldatura dei materiali metallici è un processo tecnologico che consiste nel fornire continuità meccanica e metallica a due o più lembi mediante fusione (e/o pressione) e successiva solidificazione. Sorgenti di energia impiegate in saldatura, da sole o in coppia: Elettriche Laser Meccaniche Chimiche Arco Plasma Scintillio Effetto Joule Fascio elettronico Urto Pressione Esplosione Attrito Ultrasuoni Fiamma Reazioni esotermiche 203

64 Tecniche di saldatura Saldatura per fusione Ad arco Chimica Fisica { { Saldatura per pressione Elettrica Ad elettrodi rivestiti Ad arco sommerso In atmosfera gassosa Elettrogas Plasma Gas Alluminotermica Fascio elettronico Laser Elettroscoria Resistenza Scintillio {Induzione Meccanica Fuoco { { Esplosione Attrito Ultrasuoni Bollitura 204

65 Rappresentazione tridimensionale di un cordone di saldatura formato da una sorgente termica in movimento = velocità movimento sorgente (m/s) = potenza erogata (kj/s) uantità di energia disponibile per unità di lunghezza = W/v (kj/m) apporto di diluizione d = vol. metallo base fuso/vol. totale zona fusa 205

66 T [ C] δ 1 2 γ Liqu HV α %C 206

67 Evoluzione della temperatura nel tempo al crescere della distanza dal cordone di saldatura 207

68 Zona 1: La temperatura non supera i 600 C circa Zona 2: La temperatura è compresa fra 600 C ed Ac 1 Zona 3: La temperatura è compresa fra Ac 1 ed Ac 3 Zona 4: La temperatura è compresa fra Ac 3 e 1100 C circa Zona 5: La temperatura è compresa fra 1100 e 1500 C (fusione). Zona sotto cordone: nei vari punti del cordone, per velocità di raffreddamento decrescenti, si ottengono strutture martensitiche, bainitiche e ferriito-perlitiche. 208

69 Influenza delle dimensioni del grano nel metallo base e nella zona di legame sulla struttura di solidificazione Possibili difetti macroscopici in una saldatura testa-testa in ZF o in ZTA 209

70 I principali problemi metallurgici della ZF sono: Protezione dall ambiente del bagno metallico Condizioni di raffreddamento I problemi relativi alla solidificazione sono principalmente tre: Formazione di strutture dendritiche Formazione di cavità di ritiro Inglobamento di particelle non metalliche (ossidi, scorie, ) La composizione del metallo di apporto deve essere simile a quella del metallo base, con le seguenti modifiche: %C inferiore a quello del metallo base (p.e. 0.1% contro lo 0.2%) Mo quasi sempre presente perché aumenta di molto la resistenza del giunto senza intaccare la tenacità ( %) Ni generalmente più alto del metallo base, per le stesse ragioni del Mo Si, S, P e V ridotti al minimo 210

71 Lateralmente alla ZF si trova no due ZTA che possono subire, dopo una parziale oppure totale austenitizzazione, varie trasformazioni a seconda dell apporto termico e della velocità di raffreddamento Per la saldabilità di un acciaio si può utilizzare come parametro il Carbonio equivalente CE: C eq = %C + %Mn/6 + (%Cr+%Mo+%V)/5 + (%Cu+%Ni)/15 C eq < 0.4% : non ci sono particolari problemi metallurgici 0.4< C eq < 0.60 : si prescrive il preriscaldo dei lembi C eq > 0.60% si prescrivono sia un pre che un postriscaldo 211

72 Precipitazione di carburi in zona termicamente alterata 212

73 Corrosione E il processo antitetico a quello della metallurgia estrattiva in quanto il metallo tende a riassumere una forma ossidata non dissimile da quella originaria del minerale. Tale processo è caratterizzato da una variazione negativa di energia libera ( G<0), quindi avviene spontaneamente. Gli ambienti più comuni per i fenomeni di corrosione sono rappresentati da soluzioni acquose contenenti elettroliti, da acide (H 2 SO 4, HCl ) a basiche (NaOH, acqua di mare ), dall atmosfera (per formazione di condensa), dal terreno, da gas ad alta temperatura (corrosione a secco). 213

74 Morfologie di corrosione 214

75 Lo schema elementare per introdurre il fenomeno della corrosione è quello di due metalli diversi a contatto fra loro e con una soluzione acquosa Na + Cl - Na + Cl - Ferro Rame Il metallo meno nobile, in questo caso il ferro, si ossida secondo la reazione anodica: Fe = Fe e - Sulla superficie del metallo più nobile (in questo caso il rame) si verifica una delle due reazioni catodiche, secondo la presenza o meno di ossigeno: Reazione catodica con ossigeno: 1/2 O 2 + H 2 O + 2e - = 2OH - Reazione catodica senza ossigeno: 2 H 2 O + 2e - = H 2 + 2OH - 215

76 Na + Cl - Na + Cl - Ferro Fe 2+ anodo Rame catodo OH - La velocità di corrosione è un parametro che misura il passaggio di elettroni; nel caso di corrosione generalizzata, è esprimibile dalla densità di corrente elettrica (A/m 2 ) che passa tra catodo ed anodo o dalla variazione di peso dell anodo nell unità di tempo e di superficie (mg/dm 2 giorno) o di perdita di spessore dell anodo nell unità di tempo (mm/anno). 216

77 Serie galvanica dei potenziali in acqua di mare Platino Oro Argento Titanio Acciaio inossidabile passivo Leghe di Ni Rame Acciaio inossidabile attivo Acciaio al carbonio Alluminio Zinco Magnesio La corrosione si manifesta anche in presenza di un solo metallo grazie alla formazione sulla superficie del metallo di microzone anodiche e catodiche che cambiano di posizione casualmente nel tempo e nello spazio. Macroscopicamente si ottiene un attacco corrosivo generalizzato del metallo. 217

78 Corrosione galvanica Corrosione uniforme Corrosione localizzata Corr. sotto schermo Pit crevice 218

79 Metodi di protezione contro la corrosione Metodi cinetici: permettono di agire direttamente sulla elocità di corrosione. In tale categoria possono essere icordati: l impiego degli inibitori; l impiego dei rivestimenti; in una certa misura, la passivazione anodica, in cui il metallo iene portato nelle sue condizioni di passivazione, ovvero iesce a formare uno strato uniforme, sottile, compatto, ed derente di ossido superficiale che svolge un ruolo protettivo. Metodi termodinamici: essi consistono nel far funzionare il etallo in condizioni di immunità. Si possono citare in tale ategoria: la scelta del metallo; la protezione catodica, che permette di posizionare il metallo ella sua zona di immunità. 219

80 Impiego di rivestimenti i possono distinguere: Rivestimenti metallici, ottenuti per: - elettrolisi (Zn, Ni, Cr, Cu, Cd,...) - immersione (Zn, Sn, Al) - diffusione di un elemento di lega (Zn, Al) - placcatura, su prodotti piani durante la laminazione a caldo (saldatura per diffusione). Sono placcati anche su acciaio al carbonio: acciai inossidabili, ottone, nickel, cupro-nickel, rame,.... Rivestimenti non metallici - pitture, vernici contenenti eventualmente degli inibitori di corrosione; - smalti, vetri; - materie plastiche, gomme; - fosfatazione; - ossidazione anodica (Al) oppure chimica (Mg). 220

81 Corrosione degli acciai inossidabili Gli acciai inossidabili sono così denominati grazie alla loro caratteristica resistenza alla corrosione, dovuta alla formazione di un film protettivo passivante legato alla presenza del Cr. Diversi sono i parametri che influenzano la resistenza alla corrosione degli acciai inossidabili: acidità del mezzo aggressivo (ph); tenore in ioni alogenuri (essenzialmente Cl - ); potere ossidante della soluzione aggressiva; temperatura. Questi acciai hanno una buona resistenza alla corrosione generalizzata, dipendente dalla loro composizione chimica, ma risultano sensibili ad alcune forme di corrosione localizzata: Vaiolatura (pitting); Corrosione cavernosa; Corrosione sotto sforzo; Corrosione intergranulare 221

82 Vaiolatura Affinché si possa avere si debbono verificare contemporaneamente le tre seguenti condizioni: Ambiente ossidante Presenza di ioni alogenuri (ad esempio Cl - ) Metallo passivabile (ad esempio acciaio inossidabile) Caso tipico è quello di strutture in acciaio inossidabile austenitico immerse in acqua di mare (ambiente ossidante contenente ioni Cl - ) Corrosione cavernosa Attacco corrosivo localizzato in cui fenomeni di idrolisi, diminuzione del ph e la presenza degli ioni Cl - giocano un ruolo importante. Corrosione sotto sforzo La corrosione sotto sforzo avviene ogni qual volta si hanno degli sforzi (esterni, residui post-saldatura, dovuti a trattamenti meccanici o termici...) in presenza di ambienti clorurati. Gli acciai inossidabili austenitici subiscono in queste condizioni una fessurazione transgranulare piuttosto importante, mentre gli acciai inossidabili ferritici sembrano essere meno sensibili a questo tipo di corrosione σ σ 222

83 Corrosione intergranulare Affinché si abbia questa forma di attacco corrosivo, il metallo deve subire un processo di sensibilizzazione ovvero permanere per tempi sufficienti a temperature comprese fra 500 ed 800 C, con conseguente precipitazione a bordo grano di carburi di Cromo del tipo Cr 23 C 6. Nel caso questa precipitazione sia molto spinta si può avere una depassivazione di queste zone, che divengono anodiche al contatto con il mezzo aggressivo. Un caso tipico è quello della corrosione intergranulare nelle zone sensibilizzate nel caso di saldatura di acciai inossidabili I rimedi sono: Solubilizzazione dei carburi precipitati (1000 C); Impiego di acciai a basso tenore di C (< 0,02%) Aggiunta di elementi tipo Ti, Nb, V, Ta (detti stabilizzanti) e trattamento di stabilizzazione (permanenza a 885 C per due ore, quindi raffreddamento in aria) in modo da far precipitare i carburi degli elementi aggiunti e NON di cromo. 223