I carburi che il carbonio forma con gli elementi metallici di lega possono essere suddivisi come indicato nella seguente tabella.

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1 3 LEGHE SIDERURGICHE 3.1 Acciaio Carburi tipici delle leghe ferrose I carburi che il carbonio forma con gli elementi metallici di lega possono essere suddivisi come indicato nella seguente tabella. Cristallizzazione Simbolo Elementi di lega Cubico MeC Me 23 C 6 Me = V, Nb, Ta, Ti, Zr Me = Cr Esagonale Me 2 C MeC Me 7 C 3 Rombico Me 3 C Me = Fe Me = Fe, Mo, W, Ta, Nb Me = Mo, W Me = Cr Tabella 1 Tabella dei carburi nella matrice ferritica, aumentano la durezza e riducono la tenacità. Normalmente la presenza di carburi in matrice ferritica aumenta la durezza e riduce la tenacità. Questo non è sempre perfettamente vero. Per esempio, durante i trattamenti termici di acciai contenenti cromo, questo si scioglie in parte nella ferrite e in parte nella cementite formando il carburo doppio (Cr, Fe) 4 C oppure altri carburi come Cr 7 C 3 o Cr 4 C. Il processo comporta sia un aumento della durezza e del carico di rottura senza riduzione della resilienza, sia una maggiore resistenza alla corrosione e un aumento della stabilità al rinvenimento Anomalie, inclusioni e difetti Metodi di valutazione delle anomalie di forma e distribuzione L entità dell aspetto a bande viene misurata sia con immagini di confronto (UNI 8449) sia con il metodo dell intercetta. In questo caso sono scelte 7 immagini tipo di aspetto a bande variabile dal grado 0 (struttura isotropa) al grado VI, utilizzando l ingrandimento 50x. In particolare, i gradi I, II, III sono relativi a bande strette (30, 21, 16 bande per millimetro) e i gradi IV, V, VI sono relativi a bande larghe (11, 8, 6 bande per millimetro). Il grado di aspetto a bande si rileva dopo ricottura isotermica ( C per 0,5 ore, C per 2 ore, raffreddamento in aria). 1

2 Un esempio di bandosità è riportato nella figura 1, mentre un altra anomalia strutturale è riportata nella figura 2. Figura 1 Esempio di difetto dovuto a discontinuità strutturale e cavità in un cordone di saldatura. Figura 2 Esempio di difetto dovuto a cricca innescata da spigolo vivo. Inclusioni non metalliche negli acciai Ossidi FeO, Fe 2 O 3, SiO 2, MnO, Cr 2 O 3, Al 2 O 3 Si distinguono per la loro colorazione in nero o grigio-nero e hanno la caratteristica tipica degli eutettici. La forma può essere sferica, ovoidale, allungata, a rosario. La principale sorgente degli ossidi endogeni, cioè proveniente dall esterno, è la disossidazione compiuta nella elaborazione dell acciaio. Solfuri FeS ed MnS Sono allungati secondo la direzione della laminazione e caratterizzati da una colorazione grigio-blu. I solfuri hanno un effetto peggiorativo sulle caratteristiche di isotropia nella deformazione a freddo e nella estrusione. Silicati Nitruri Inclusioni complesse Sono le ossisolfuree, le nitro-solfuree, le ossi-nitrosolfuree ecc. Hanno la stessa forma dei solfuri ma sono più sottili e caratterizzati da un intensa colorazione bruno-nerastra. A forte ingrandimento hanno una netta trasparenza vetrosa rispetto a quella opaca dei solfuri. Sono caratteristici per la loro forma poligonale e per il colore: i cianonitruri di titanio hanno colore rosa, i nitruri di titanio giallo e i nitruri di vanadio verde. Nella figura 3.14 del testo è riportato un caso di inclusione complessa costituita da ossidi e solfuri. 2

3 3.1.5 Temperatura di trasformazione degli acciai Variazione dei punti critici I punti critici variano in funzione della composizione chimica dell acciaio e della velocità di riscaldamento e di raffreddamento rispettivamente per i punti Ac e Ar. Le trasformazioni sono reversibili e pertanto dovrebbero avvenire alla stessa temperatura sia al riscaldamento che al raffreddamento. In realtà ciò non si verifica perché hanno luogo sempre in condizioni di non equilibrio, in un intervallo di temperatura più o meno ampio, in funzione della velocità di riscaldamento o raffreddamento. Per quanto concerne il primo punto si è già osservato come variano Ac 1, Ac 3 e Ac m con la percentuale di carbonio nel caso teorico di acciai privi di qualsiasi altro elemento; nel caso pratico di acciai reali e in particolare di quelli legati, i suddetti punti critici subiscono variazioni in seguito a una interazione degli elementi presenti secondo la loro azione alfagena o gammagena, cioè secondo la capacità che hanno questi elementi di spostare l equilibrio estendendo il campo di esistenza della ferrite o dell austenite. Sulla base delle osservazioni pratiche sono state proposte formule empiriche per valutare l entità degli scostamenti in funzione degli elementi di lega presenti: tra queste hanno trovato sufficiente rispondenza con i valori determinati sperimentalmente con le seguenti formule: Ac 1 = ,8Si 5,5Mn 2,5Ni +2Cr + 30Mo 172,9Si 2 4,7Mn 2 + 0,3Ni 2 6,2Cr 2 18,1Mo 2 Ac 3 = 10 93,2C 142,3Si 159,5Mn 8,4Ni 24,4Cr + 28,4Mo + 78,4C ,1Si ,8Mn ,5Ni 2 + 9,6Cr Mo 2 nelle quali i simboli chimici indicano le rispettive percentuali. Per quanto concerne la variazione dei punti critici in funzione della velocità di riscaldo o di raffreddamento, si conferma che: la velocità di riscaldo innalza i punti Ac e Ac 3 proporzionalmente al valore della velocità stessa; 1 la velocità di raffreddamento abbassa i punti Ar e Ar 1 per il fenomeno dell isteresi termica, tanto più 3 accentuato quanto maggiore è la velocità di raffreddamento; la legge di variazione dipende, oltre che dal valore della velocità di raffreddamento, dalla composizione chimica dell acciaio. Elementi di alligazione degli acciai Gli elementi intenzionalmente aggiunti, per conferire all acciaio particolari attitudini e proprietà fisiche, meccaniche e tecnologiche, sono moltissimi: i loro effetti sono variabilissimi in special modo quando sono consequenziali alla sovrapposizione di due o più elementi aggiunti. La classificazione più sistematica degli elementi di alligazione del ferro è quella che si riferisce agli effetti stabilizzanti delle fasi fondamentali. Pertanto si diranno: 1. elementi gammageni quelli che si solubilizzano nell austenite allo stato solido (Ni, Mn, Co, Pt, Pa, Ru, Rh, Os, Ir) o che estendono il campo dell austenite sia aumentando il punto A 4 sia diminuendo il punto A 3 (C, N, Cu, Zn...); 3

4 2. elementi alfageni quelli che si solubilizzano nella ferrite, la stabilizzano e ne estendono il campo (Cr, Ti, P, V, Mo, Al, Si...); 3. elementi grafitizzanti quelli che favoriscono l instabilità della cementite e pertanto la sua decomposizione (Si, Cu, Al, Ni...); 4. elementi carburigeni quelli che si solubilizzano nella cementite, la stabilizzano o formano carburi complessi. La solubilità nella cementite avviene sostituendo in essa una parte di ferro con l elemento carburigeno (X):Fe 3 C (FeX) 3 C con la conservazione della rete ortorombica della cementite (Mn, Cr, W, Mo, V, Ti, Zr, Ta, Nb...). La suddetta considerazione non si deve intendere in senso assoluto poiché ogni elemento, in relazione alla sua percentuale e a quella del carbonio, formerà miscele della cementite con carburi speciali. Per esemplificare si citano i seguenti casi: sistema Fe-C-Cr. Fino al 3% di Cr la cementite si modifica in (FeCr) 3 C partecipando con la ferrite a alla struttura dell acciaio. Per percentuali più elevate di Cr si formano i carburi (CrFe) 7 C 3 e (CrFe) 23 C 6 ; sistema Fe-C-Mo. Fino all 1% di Mo la ferrite è frammista al carburo Fe 3 C[(FeMo) 3 C] proporzionalmente alla percentuale di carbonio. Per percentuali maggiori di Mo si formano i carburi più complessi; sistema Fe-C-W. Fino all 1% di W si hanno miscele di cementite normale Fe 3 C con cementite modificata (FeW) 3 C, mentre per percentuali superiori di W si scindono i carburi come (FeW) 3 C. Strutture degli acciai legati Gli acciai legati, debolmente o fortemente, presentano strutture la cui individuazione è frutto dell esperienza; a titolo di esemplificazione si riportano nelle figure 3 e 4 alcuni casi tipici relativi ad acciai noti. I numerosissimi casi che la pratica può offrire non possono essere, per ovvie ragioni, raccolti nel testo: esistono atlanti metallografici con i quali il metallurgista può effettuare l esame comparativo a parità d ingrandimento, di attacco chimico e di trattamento termico Figura 3 Acciaio da cementazione 16 MnCr5. Stato: ricotto; struttura: tracce di perlite globulare in matrice ferritica. Figura 4 Acciaio inossidabile austenitico X 10 CrNi Stato: solubilizzato; struttura: austenite. 4

5 3.1.6 Classificazione degli acciai Gli acciai da cementazione non legati vengono impiegati per pezzi di piccole dimensioni, mentre quelli legati per pezzi di dimensioni notevoli, per i quali si richiedono elevate caratteristiche anche a cuore. Alcuni acciai da bonifica speciali sono elencati nella tabella 2. Sono impiegati per la costruzione di organi meccanici sottoposti a carichi statici e dinamici (semiassi, bielle, leve, aste ecc.). Le caratteristiche di resistenza degli acciai da bonifica speciali, oltre che dall effetto di massa, sono influenzate sensibilmente dalla temperatura di rinvenimento che può variare da un minimo di 200 C a un massimo di 700 C in relazione ai risultati che si desidera conseguire. Si noti che gli acciai da bonifica speciali non legati con tenore di carbonio fino allo 0,45%, di bassa temprabilità, sono adatti per spessori fino a circa 30 mm e quando si possono tollerare le deformazioni derivanti dalla tempra in acqua. Per spessori fino a mm si usano gli acciai legati al cromo o al cromo-manganese, tenendo però presente che sono affetti dalla fragilità di rinvenimento intorno ai 500 C. Gli acciai al cromo-nichel-molibdeno a media e ad alta temprabilità, insensibili alla fragilità di rinvenimento per la presenza del molibdeno, sono impiegati per la fabbricazione di pezzi ad alta resistenza fortemente sollecitati, anche di spessore notevole (fino a circa 200 mm), che debbono sopportare condizioni di lavoro molto severe. Tabella 2 Tipi di acciai non legati e legati, speciali da cementazione trattamenti di collaudo eseguiti su provetta da 11 mm di diametro, prova di trazione eseguita su provetta da 10 mm di diametro. Tipo di acciaio Stato tempra ( C) Distensione ( C) R m (MPa) Prova di trazione R p0.2 (min) (MPa) A (min) (%) Resilienza KU (min) (J) C in acqua MnCr in olio CrMo in olio CrNi in olio CrNi in olio , NiCrMo in olio ,5 20 NiCrMo in olio ,5 18 NiCrMo in olio NiCrMo in olio NiCrMo in olio

6 Gli acciai per tempra superficiale, ottenuta, di solito, con riscaldamento a induzione, hanno la composizione degli acciai da bonifica, poiché l indurimento superficiale si esegue di norma su pezzi allo stato bonificato. Esempi: C 36, C 43, C 46, C 48, C 53, 45 Cr 2, 38 Cr 4, 37 CrMn 4, 41 CrMo 4, 40 NiCrMo 3 ecc. Di conseguenza questi acciai vengono impiegati per la costruzione di organi meccanici per i quali si richiede un elevata durezza superficiale unitamente a un alta tenacità del nucleo (pignoni, viti senza fine, spinotti, ruote dentate, alberi a camme ecc.). Gli acciai per molle hanno una composizione idonea ad aumentare il valore dei carichi unitari di snervamento. Esempi: C 67, C 85, C 100, 48 Si 7, 55 Si 7, 60 SiCr 8, 50 CrV 4, 51 CrMoV 4 ecc. Gli acciai per molle, destinati alla fabbricazione di molle elicoidali, pinze elastiche a espansione, barre stabilizzatrici, balestre ecc., se impiegati per pezzi di piccole dimensioni ( 30 mm) sono particolarmente adatti al trattamento di bonifica isotermica. Gli acciai da nitrurazione sono in sostanza acciai da bonifica appositamente studiati con l aggiunta di elementi quali il cromo, l alluminio, il molibdeno e il vanadio per rendere più agevole l assorbimento e la diffusione dell azoto. Esempi: 31 CrMo 12, 31 CrMoV 10, 34 CrAlMo 7, 41 CrAlMo 7. Questo trattamento crea sulle superfici dei pezzi uno strato che aumenta la durezza, la resistenza all usura, la resistenza alla fatica e talvolta anche la resistenza alla corrosione. Gli acciai per cuscinetti a rotolamento (sfere, rulli, anelli) sono i tipi 100 Cr 6, 100 CrMo 7, 12 NiCr 3, 20 NiCrMo 7, X 105 CrMo 17, X 75 WCrV 13 ecc. Gli acciai resistenti allo scorrimento a caldo sono quelli destinati alla costruzione di particolari soggetti allo scorrimento viscoso per l azione combinata temperatura-sollecitazione-tempo, impiegati per impianti termici (tubi, giunti, raccordi ecc.), centrali termoelettriche (rotori, alberi per turbine a vapore ecc.), raffinerie di petrolio (bulloneria, raccordi, flange ecc.), comunque per organi che non lavorano in ambienti aventi una particolare azione ossidante o corrosiva. Esempi: 48 CrMo 4, 45 CrMoV 4, 30 NiCrMoV 94, 14CrMo 3, 12 CrMo 5, 12 CrMo 10, 12 CrMo 20, 25 CrMo 25 ecc. Gli acciai resistenti alla corrosione e al calore sono acciai legati speciali inossidabili destinati alla costruzione di organi che debbono resistere all azione combinata del calore e delle sollecitazioni degli ambienti corrosivi e ossidanti. Si distinguono in: martensitici, quando uniscono alla resistenza alla corrosione l elevata durezza conseguita con la tempra (X 12 Cr 13, X 12 CrS 13, X 20 Cr 13, X 39 Cr 13, X 46 Cr 13, X 50 CrMoV 15, X 39 CrMo 17-1 ecc.); ferritici, quando alla buona resistenza all ossidazione (fino a 700 C) e alla corrosione di soluzioni alcaline e acidi organici, uniscono buona plasticità a freddo e saldabilità, ma non sono temprabili (X 6 Cr 13, X 6 CrAl 13, X 2 CrTi 17, X 6 CrMo 17-1, X 2 CrMoTi 17-1, X 6 CrNi 17-1, X 2 CrMoTi 29-4 ecc.); austenitici, quando presentano la massima resistenza all ossidazione e alla corrosione e sono addolcibili con trattamento di tempra X 10 CrNi 18-8, X 2 CrNi 18-9, X 5 CrNi 18-10, X 6 CrNiTi 18-10, X 2 CrNiMo , X 2 CrNiMo , X 1 CrNiMoTi , X 4 CrNi 18-12, X 2 CrNiMo , X 2 CrMnNi , X 3 CrNiCu , X 1 NiCrMoCu , X 1 CrNiMoCuN ecc.). Gli acciai criogenici sono quelli resistenti alle basse temperature. Esempi: 10 MnAl 4, 12 Ni 20, X 10 CrNiTi

7 Acciai per utensili. La loro composizione chimica varia secondo l impiego: per lavorazioni a caldo (esempi: 40 NiCrMoV 16 KU, 25 CrMo 8 KU, X 40 CrMoV KU, X 30 WCrV 9 3 KU), per lavorazioni a freddo (esempi: C 100 KU, 56 SiMn 7 KU, 55 WCrV 8 KU, 110 W 4 KU,X 100 CrMoV 5 1 KU, X 215 CrW 12 1 KU, X 41 Cr 13 KU, X 5 CrMo 5 1 KU)e per asportazioni di trucioli (esempi: HS , HS 3-3-2, HS ,HS ). Tabella 3 Acciai da bonifica speciali e caratteristiche meccaniche ricavate da provetta di 10 mm di diametro. Tipo di acciaio Temperatura di tempra ( C) Mezzo di tempra Rinvenimento ( C) R m (MPa) Prova di trazione R p0.2 (min) (MPa) C 22 E, C 22 R acqua C 25 E, C 25 R acqua C 30 E, C 30 R acqua C 35 E, C 35 R acqua o olio C 40 E, C 40 R acqua o olio C 45 E, C 45 R acqua o olio C 50 E, C 50 R olio o acqua C 55 E, C 55 R olio o acqua C 60 E, C 60 R olio o acqua Mn acqua o olio Cr olio o acqua Cr olio o acqua Cr acqua o olio Cr olio o acqua Cr olio o acqua CrMo acqua o olio CrMo olio o acqua CrMo olio o acqua CrMo olio CrNiMo olio o acqua CrNiMo olio CrNiMo olio NiCrMo aria o olio CrV olio A (min) (%) 7

8 Determinazione della grossezza del grano austenitico o ferritico degli acciai Come detto in precedenza la grandezza media dei grani influenza direttamente le proprietà meccaniche, per questo il controllo di tale valore riveste un importanza notevole. Pertanto acciai aventi la stessa composizione chimica possono presentare diverso comportamento qualora abbiano diversa grossezza del grano. La grossezza del grano viene messa in evidenza mediante l esame micrografico di una sezione lucidata del saggio, onde poter procedere alla valutazione della grossezza media del grano rilevato. Detta grossezza è determinata, in alternativa, (UNI 3245): da un indice ottenuto mediante confronto con immagini campione di riferimento, oppure mediante conteggio medio di grani per unità di superficie; dal valore medio del segmento intersecato (intercetta media). Grano austenitico è il grano degli acciai che presentano, a temperatura ambiente, una struttura prevalentemente austenitica monofasica o bifasica (cioè con isolotti di ferrite); ovvero il grano che si è formato durante un trattamento termico che ha comportato un austenitizzazione a una determinata temperatura e durata. Grano ferritico è il grano che si osserva in una struttura monofasica o bifasica (isolotti di perlite) risultante generalmente dalla trasformazione g a. La grossezza del grano austenitico è una caratteristica peculiare che ogni acciaio assume, al momento della colata, generalmente come conseguenza dei materiali di carica, dell eventuale aggiunta di elementi affinanti (Al, V, Ti ecc.) e del processo di elaborazione, mentre la grossezza del grano ferritico può dipendere anche dai trattamenti termici. La sua valutazione si fa generalmente per gli acciai non legati aventi tenore di carbonio minore o uguale a 0,25%. La grossezza del grano austenitico può essere considerata un vero e proprio elemento formativo delle caratteristiche di un acciaio: infatti ha influenza sulla sensibilità al riscaldamento (maggiore o minore attitudine all ingrossamento del grano a parità di condizioni di trattamento termico e di composizione chimica), sulla penetrazione di tempra (grano piccolo: temprabilità più bassa, minori deformazioni e maggiore tenacità), sulla corrosione, sullo scorrimento a temperature elevate (grano grosso: migliore comportamento allo scorrimento), sulla fragilità di rinvenimento ecc. Messa in evidenza del grano ferritico I grani ferritici sono messi in evidenza mediante attacco, sia al nital (acido nitrico diluito) sia al picral (acido picrico diluito) sia con un reagente appropriato. Messa in evidenza del grano austenitico Nel caso di acciai che, a temperatura ambiente, presentano una struttura prevalentemente monofasica o bifasica, la messa in evidenza del grano si effettua direttamente mediante attacco micrografico appropriato. Nel caso degli altri acciai, secondo le informazioni richieste, si impiega uno dei seguenti metodi: metodo Béchet-Beaujard, mediante attacco all acido picrico concentrato; metodo Kohn, mediante ossidazione controllata; metodo Mc Quaid Ehn, mediante cementazione: specifico per gli acciai da cementazione; Spesso il saggio, con una superficie preparata per l esame micrografico, è posto sul tavolino riscaldan- 8

9 te di un microscopio metallografico e portato alla temperatura fissata cosicché la struttura austenitica è osservata direttamente all atto della sua formazione. Caratterizzazione della grossezza del grano Si possono seguire vari metodi: caratterizzazione mediante un indice, con valutazione mediante confronto con immagini-tipo riportate nella UNI 3245 (Figura 5) oppure con valutazione mediante conteggio; caratterizzazione mediante segmento intersecato (metodo del segmento intersecato lineare oppure circolare). Nelle figure 6 e 7 sono riportate due microfotografie, con ingrandimento 100x, che consentono la caratterizzazione della grossezza del grano con due metodi diversi. Figura 5 Immagini tipo per la valutazione della grossezza di un grano (UNI 3245). Figura 6 Esempio di misurazione del grano austenitico con il metodo di Mc Quaid Ehn: indice grossezza di grano G = 4. Figura 7 Esempio di misurazione del grano austenitico con il metodo dell ossidazione controllata: indice di grossezza per confronto G = 6. 9