La ghisa e l acciaio 1 La ghisa Le ghise sono delle leghe quaternarie composte da ferro, carbonio, manganese e silicio; il tenore di carbonio è compreso tra 2,06% e 6,67%, ma in realtà il suo valore oscilla tra 3,5% e 4%. Il nichel, il cromo, il molibdeno e il rame possono essere elementi di lega, mentre il fosforo e lo zolfo sono elementi inquinanti. Essa viene ottenuta, come abbiamo visto, negli altiforni. La ghisa ha queste caratteristiche: è di colore grigio; non è malleabile; è molto fragile; non è plastica; ha una bassa resistenza alla trazione; è resistente alla compressione; ha una buona fusibilità; è resistente ai fenomeni di corrosione. Figura1 Fontana in ghisa grigia I principali tipi di ghisa sono: la ghisa grigia o lamellare; la ghisa bianca; la ghisa malleabile o a tempera; la ghisa sferoidale o duttile. Nella ghisa grigia (UNI EN 1561/98) il carbonio è presente sotto forma di grafite lamellare: se si osserva la lega sulla superficie fratturata si noterà, appunto, che è di colore grigio. Queste lamelle attraversano il materiale con una ramificazione ad aghi sottili e determinano una bassa resistenza e fragilità; d altra parte danno al materiale medesimo la capacità di ammortizzare le vibrazioni meccaniche. Questo tipo di ghisa è impiegato particolarmente per i getti e per realizzare, ad esempio, carcasse e componenti di macchine. capiamo le parole La grafite è un minerale costituito da carbonio, di colore grigio scuro, lucente e facilmente sfaldabile, utilizzato nella fabbricazione di mine per matite, vernici, lubrificanti, materiali refrattari e in numerose applicazioni elettrotecniche e industriali (alcuni ricercatori ritengono che in un prossimo futuro potrebbe sostituire il silicio, come base per lo sviluppo dei transistor). 1
La ghisa e l acciaio Figura 2 La struttura della ghisa grigia e sferoidale viste al microscopio Figura 3 Un esempio di produzione industriale: getti in ghisa grigia Nella ghisa bianca (UNI 8845/86) il carbonio è presente sotto forma di cementite. La lega ha una struttura argentea ed è poco lavorabile; essa viene utilizzata per costruire pezzi non soggetti a urti o per ottenere la ghisa malleabile. La ghisa malleabile (UNI EN 1562/07) si presenta di colore bianco allo stato di colata (grezzo) ed è Figura 4 Tubazioni idrauliche in ghisa sferoidale sottoposta a speciali trattamenti termici (tempera). La ghisa grezza è dura e fragile: per questo viene ricotta in atmosfera contenente ossigeno in modo da aumentarne resistenza e resilienza. Con la ghisa a tempera si possono realizzare componenti di fusione a parete sottile (leve, chiavi, bielle e raccordi idraulici). Figura 5 Elementi di raccordi idraulici in ghisa malleabile Esistono due tipi di ghisa a tempera che, in base al procedimento termico o all aspetto della superficie di rottura, sono denominate: a tempera bianca (ossia a tempera ricotta decarburata) o a cuore bianco (processo europeo); 2
a tempera nera (ovvero a tempera ricotta non decarburata) o a cuore nero (processo americano). Figura 6 Tubazioni in ghisa sferoidale da mettere in opera per acquedotti La ghisa sferoidale (UNI EN 1563/04) è ottenuta trattando la ghisa fusa in siviera con l aggiunta di magnesio metallico. In questo tipo di ghisa la grafite si presenta con l aspetto di sferoidi che, a confronto con la grafite lamellare, rendono la matrice metallica meno debole. La ghisa sferoidale ha proprietà meccaniche e tecnologiche simili a quelle dell acciaio, mantenendo però le caratteristiche di resistenza alla corrosione, di fusibilità e di resistenza al calore tipiche della ghisa. Essa viene usata per componenti esposti ad alte sollecitazioni (carcasse di motori e pompe, elementi di caldaie e tubazioni di scarico) ed è ideale per la realizzazione di griglie stradali (tombini, caditoie ecc.). Figura 7 Griglie stradali in ghisa sferoidale 2 L acciaio L acciaio, come già evidenziato, è una lega ferrocarbonio con percentuale di carbonio che va dallo 0,008% al 2,06%; esso si ottiene dalla ghisa di altoforno per affinazione, cioè per riduzione del tenore di carbonio (tramite ossidazione) e abbassamento delle percentuali di silicio, manganese, fosforo e altre impurità (che sono accettabili nella ghisa ma non nell acciaio). Le sue caratteristiche sono: duttilità; malleabilità; tenacità; buona conducibilità elettrica e termica; ottima saldabilità; ottima resistenza alle sollecitazioni; scarsa resistenza alla corrosione. Figura 8 La fase di fabbricazione dell acciaio 3
La ghisa e l acciaio Il processo con il quale viene ridotto il carbonio, la cosiddetta decarburazione, può avvenire in convertitori Bessemer, Thomas e a ossigeno (LD, BOP, OBM e AOD) in cui la carica è costituita da ghisa fusa, o in forni (MartinSiemens ed elettrico ad arco), dove la carica è composta da rottami di ferro e pani di ghisa. Il principio di funzionamento si basa sulla reazione chimica tra ghisa e aria: se infatti sulla ghisa si soffia un getto d aria, la lega perde carbonio sotto forma di anidride carbonica. L acciaio liquido che scaturisce dai convertitori e dai forni viene versato in un Figura 9 Una colata in lingotteria recipiente metallico (siviera) di notevoli dimensioni, trasportato con carroponte, quindi colato in modo diretto (in lingottiera o sottovuoto), indiretto (in sorgente) o continuo, tecnica quest ultima più pratica ed economica. Nella colata in lingottiera l acciaio, tramite la siviera, viene rovesciato in recipienti di ghisa chiamati lingottiere, in cui la lega metallica solidifica: così, però, il veloce riempimento dall alto può provocare delle imperfezioni. I lingotti così formati, liberati dalla lingottiera (strippaggio), possono assumere diverse sezioni, come ad esempio: Figura 10 Lo schema di una colata in lingottiera sezione quadrata o rettangolare: questi lingotti si prestano meglio alle successive lavorazioni di laminazione; sezione circolare, esagonale oppure ottagonale: in tal caso i lingotti si adattano bene alle operazioni di fucinatura. Figura 11 4 Lo schema di una colata in lingottiera sottovuoto Nella colata in lingottiera sottovuoto l acciaio, mediante la siviera, è depositato in una camera sottovuoto, appunto, detta caldaia, attraverso un foro collocato nella parte alta di quest ultima e chiuso da un disco di alluminio, che fonde al passaggio dell acciaio: in tal modo il riempimento sottovuoto evita notevoli difetti propri della colata in lingottiera. Nella colata in sorgente il riempimento delle lingottiere, disposte in cerchio, avviene dal basso verso l alto, riducendo così la formazione d imperfezioni: l acciaio, tramite la siviera, viene scaricato in una colonnetta centrale, dalla quale si diramano canali che, per il principio dei vasi comunicanti, alimentano dal basso le lingottiere.
capiamo le parole Il principio dei vasi comunicanti è quella legge fisica secondo la quale «un liquido contenuto in due contenitori comunicanti tra loro raggiunge lo stesso livello». Il liquido, infatti, non ha una forma propria, ma assume quella del recipiente che lo contiene: per questo motivo, se si versa un liquido in vasi che sono in comunicazione tra loro, anche se di forma diversa (purché di diametro non molto piccolo per evitare che intervengano altre leggi fisiche, come ad esempio la capillarità), esso si dispone al medesimo livello in ognuno dei contenitori, in maniera che la pressione destra e quella sinistra sul canale di comunicazione siano uguali. Tale principio spiega diversi fenomeni e viene sfruttato dall uomo in molte applicazioni pratiche: impianti idrici, canali artificiali, chiuse, pozzi di drenaggio, pozzi artesiani, travasi, sifoni ecc. Figura 12 Lo schema di una colata in sorgente Nella colata continua è possibile ottenere i semilavorati direttamente, evitando la colata in lingottiera, lo strippaggio, il riscaldamento nei forni. Essa consiste nel versare l acciaio, sempre mediante la siviera, in una paniera alla temperatura di 1600 C. Sul fondo di quest ultima ci sono dei fori d uscita, ciascuno per una linea di produzione: a ognuno, difatti, corrisponde una lingottiera in rame che viene raffreddata ad acqua. Il semilavorato, una volta presa la sezione, viene gradualmente raffreddato, piegato e tranciato. 5
La ghisa e l acciaio Dalle colate si ricavano così i prodotti intermedi (semilavorati) che, a seconda della forma, possono essere: bramme, a sezione rettangolare (con lato a 60 mm e lato b 120 mm ma 4 a); billette o blumi a sezione quadrata (le billette, più piccole, con il lato compreso tra 50 e 120 mm; i blumi, più grandi, con il lato compreso tra 130 e 400 mm). Questi saranno poi trasportati alle diverse fabbriche che, dopo ulteriori lavorazioni (laminazione, trafilatura, estrusione, stampaggio, piegatura e fucinatura), ne ricaveranno tutti i prodotti dell acciaio, quali profilati, tubi, scatolati, vergelle e fili, lamiere, nastri. Figura 13 Lo schema di una colata continua Figura 14 L interno di un magazzino di prodotti dell acciaio: sono visibili lamiere, profilati, tubi e scatolati 6
Figura 16 Figura17 Focus I trattamenti termici dell acciaio I trattamenti termici sono procedimenti tecnologici che consentono di conferire particolari proprietà alla maggior parte delle leghe metalliche, se sottoposte ad azioni di riscaldamento, permanenza a temperatura e raffreddamento; essi vengono applicati soprattutto agli acciai. I più comuni sono: la tempra, che consiste nel riscaldare la lega fino a una temperatura (definita di tempra: T t ) intorno ai 900 C e nel raffreddarla bruscamente, tramite Figura 15 immersione in acqua o in olio. Gli effetti sono: aumento della durezza; aumento della resistenza per gli acciai dolci da costruzione; aumento della fragilità; Il diagramma del ciclo termico della tempra Il diagramma del ciclo termico del rinvenimento I trattamenti termici: diagramma temperatura/tempo il rinvenimento, che si basa sul riscaldamento dell oggetto temprato a una temperatura più bassa di quella di tempra (600 C per l acciaio, 350 C per la ghisa) e nel lasciarlo raffreddare lentamente. Ciò produce: diminuzione della fragilità dell oggetto temprato; aumento della tenacità e della lavorabilità; lieve diminuzione della durezza (resistenza meccanica ottenuta con il trattamento di tempra); la ricottura, che consiste nel riscaldare il materiale fino alla temperatura di tempra (900 C per l acciaio, 500 C per la ghisa), nel mantenerlo a temperatura costante (in modo che tutta la massa raggiunga lo stesso equilibrio termico-strutturale) e nel raffreddarlo lentamente. I risultati sono: diminuzione della durezza; aumento della resilienza, della lavorabilità e della malleabilità; coesione della struttura cristallina; la bonifica, in cui si sottopone l acciaio a due trattamenti, uno di tempra e uno di rinvenimento. Questo provoca: aumento della resistenza e della durezza; conservazione di una buona resilienza; 7
Figura 18 Il diagramma del ciclo termico della ricottura Figura 19 Il diagramma del ciclo termico della bonifica la normalizzazione, nella quale si riscalda il materiale a una temperatura superiore a quella di tempra e lo si raffredda naturalmente. Le conseguenze sono: aumento della resilienza; eliminazione delle tensioni interne dovute a precedenti lavorazioni (laminazioni, saldature ecc.); aumento della durezza. L acciaio è sottoposto anche ad altri trattamenti, come quelli fisico-chimici, detti anche trattamenti superficiali, che vengono utilizzati per modificare la composizione chimica e le proprietà del materiale nello strato superficiale. I principali sono: Figura 20 Il diagramma del ciclo termico della normalizzazione la cementazione, che consiste nel riscaldare il pezzo finito a una temperatura attorno ai 1000 C in un ambiente ricco di carbonio (che viene assorbito dall esterno verso l interno), per determinare un aumento della durezza e della resistenza all usura della superficie esterna; la nitrurazione, in cui si riscalda l oggetto a circa 500 C e lo si immerge in una sostanza contenente composti azotati (ammoniaca); da ciò scaturisce un aumento della durezza e una diminuzione della resilienza, relativamente allo spessore nitrurato (decimi di millimetro). L industria siderurgica è in grado di fornire un elevato numero di tipologie d acciaio, che si differenziano per: la percentuale di carbonio; l attitudine a subire particolari lavorazioni; i diversi elementi che compongono la lega; i trattamenti subiti. Tra le numerose classificazioni esistenti, quella di uso più corrente si basa sulla tabella UNI EN 10027-1/06, secondo la quale gli acciai sono designati con lettere e numeri che ne indicano gli utilizzi e ne evidenziano le caratteristiche meccaniche, fisiche e chimiche. Fondamentalmente, comunque, essi vengono suddivisi in due gruppi principali: I gruppo (acciai di base e di qualità, ossia acciai da costruzione di uso generale, noti anche, più semplicemente, come acciai comuni); II gruppo (acciai speciali). 8
Quelli del I gruppo costituiscono il tipo meno costoso e possiedono qualità meccaniche inferiori rispetto agli acciai speciali. Le proprietà che li distinguono variano a seconda del contenuto di carbonio: infatti con l aumentare della percentuale di quest elemento aumenta anche la durezza della lega, mentre ne diminuisce la saldabilità e la duttilità. In linea di massima gli acciai di questo gruppo resistono bene alle sollecitazioni, soprattutto statiche (a cui sono indubbiamente soggette le costruzioni civili), e per loro non sono previsti particolari trattamenti termici durante il ciclo di lavorazione. Essi vengono denominati con una lettera che ne chiarisce l impiego, seguita da un numero che corrisponde al carico unitario di snervamento o al carico di rottura minimo (in Mpa: 1 Mpa = 1 N/mm 2 ); se si tratta di un acciaio per getti, la designazione è sempre preceduta dalla lettera G. Le lettere relative alle diverse tipologie d impiego (che determinano anche a cosa si riferisce il numero che segue se al carico di snervamento o al carico di rottura e chiariscono il significato degli eventuali dati successivi: lettere e/o numeri che esprimono ulteriori caratteristiche fisiche, chimiche e meccaniche) e i simboli indicanti il valore minimo di resilienza sono mostrati in specifiche, quanto complesse, tabelle di riferimento. Gli acciai del II gruppo (acciai speciali) si differenziano dagli altri per la loro composizione chimica e perché hanno caratteristiche superiori. In altri termini, si considerano acciai speciali quei materiali che vengono sottoposti alla miscelazione con quantità opportune di metalli aggiunti (nichel, cromo, molibdeno, manganese, vanadio, tungsteno ecc.), al fine di migliorarne le proprietà chimico-fisiche (in generale si può dire che il manganese conferisce agli acciai elevata durezza; il molibdeno gli fornisce una buona resistenza all usura; il cromo e il nichel influenzano molte proprietà, potenziando notevolmente la durezza, la tenacità e la resistenza agli agenti chimici), e che subiscono una capiamo le parole Esempi di designazione alfanumerica degli acciai del I gruppo: R 320 Mn (R: acciaio per rotaie, 320: carico di rottura minimo, Mn: alta percentuale di manganese per ridurre l usura); S 275 JR (S: acciaio per impiego strutturale, 275: Figura 21 Acciaio speciale da costruzione carico unitario di snervamento, JR: con resilienza maggiore di 27 J a 20 C); B 430 N (B: acciaio per cemento armato, 430: carico di snervamento caratteristico, N: trattamento termico di normalizzazione). serie di trattamenti particolari (quali la tempra, che ne aumenta notevolmente la durezza complessiva, e la cementazione, che ne migliora la durezza superficiale). 9