Capitolo quinto ACCIAI DA BONIFICA

Capitolo quinto ACCIAI DA BONIFICA Il termine italiano bonifica trova corrispondenza soltanto nella lingua tedesca nel termine vergütun, mentre nella lingua anglosassone e francese corrisponde rispettivamente alle perifrasi quenching and tempering e trempé et revenu. Sono acciai da bonifica gli acciai speciali da costruzione destinati al trattamento termico di bonifica, cioè alla tempra martensitica seguita da rinvenimento d addolcimento, generalmente eseguito a temperatura compresa tra 5 e 68 C, secondo l acciaio e l impiego. Data la necessità d ottenere un buon compromesso tra elevate caratteristiche resistenziali e tenacità, questi acciai contengono sempre carbonio in concentrazione medio alta (,, %) ed eventualmente uno o più elementi di lega che aumentano la temprabilità e la tenacità. L unificazione europea suddivide gli acciai da bonifica in tre gruppi: 1. acciai da bonifica speciali, considerati dalla norma UNI EN 183-1, che descrive 9 acciai non legati al C, 1 acciaio legato al Mn, 5 acciai legati al Cr, 4 acciai legati al Cr, 3 acciai legati al CrNi, 1 acciaio legato al NiCr, 1 acciaio legato al CrV; 2. acciai da bonifica non legati di qualità, considerati dalla norma UNI EN 183-2, che descrive gli stessi 9 acciai non legati al carbonio appartenenti al primo gruppo, ma per i quali non sono prescritte caratteristiche di tenacità, di temprabilità e di purezza; 3. acciai da bonifica al boro, considerati dalla norma UNI EN 183-3, che descrive: 3 acciai legati al MnB; 3 acciai legati al MnCrB. Tutti sono impiegati in ogni settore industriale e soprattutto nell industria meccanica per la costruzione di componenti anche fortemente sollecitati, sottoposti a carichi statici e/o dinamici, quali alberi d ogni tipo, semiassi, aste, bielle, bulloni, organi di collegamento e supporti, leve, ecc. Gli acciai al carbonio furono usati fin dall età del ferro ed ancor oggi possiedono alcune proprietà insuperabili, tuttavia il loro uso nella moderna tecnologia è limitato a causa di due mediocri caratteristiche: la bassa temprabilità, che consente la trasformazione martensitica soltanto nei pezzi di piccole dimensioni; la modesta tenacità se paragonata a quella degli acciai legati di pari durezza. Perciò, gli acciai al carbonio trovano normale applicazione per la costruzione di pezzi di piccole dimensioni e di forma semplice, cioè quando il rischio di deformazione e rottura per tempra in acqua non desta particolari preoccupazioni, o quando non è richiesta un elevata resistenza e tenacità su tutta la sezione del pezzo. Al contrario gli acciai da bonifica legati sono comunemente impiegati quando sono necessarie elevate caratteristiche meccaniche (carico di rottura, limite di snervamento, durezza), unitamente a buona riserva plastica (allungamento e contrazione) ed elevata tenacità (resilienza). Inoltre sostituiscono favorevolmente gli acciai al carbonio quando è richiesto uno spegnimento di tempra meno drastico, cioè in olio o in bagno di sali, per contenere le deformazioni. I primi acciai legati furono introdotti verso la fine del diciannovesimo secolo, con formulazioni che prevedevano una cospicua alligazione, necessaria per garantire una sufficiente affidabilità nella maggior parte delle applicazioni. Essi potevano subire i più drastici trattamenti termici o maltrattamenti, pur conservando ottime caratteristiche. Tuttavia l eccesso d elementi di lega non poté esser tollerato a lungo per motivi economici. D altra parte, il progresso tecnologico nella fabbricazione dell acciaio (deossidazione, purezza e controllo del grano austenitico), i miglioramenti dei trattamenti termici, le nuove conoscenze della meccanica della frattura che resero più affidabile la progettazione ed il grande sviluppo dei sistemi di controllo e collaudo (soprattutto delle prove non distruttive) consentirono l uso d acciai meno legati anche nelle applicazioni più severe, con risultati più che soddisfacenti in termini d affidabilità e sicurezza. Le più rilevanti variazioni nell alligazione degli acciai da bonifica avvennero naturalmente in periodi diversi, quando le misure di controllo istituite dai governi nazionali accelerarono i mutamenti che sarebbero avvenuti molto più lentamente in tempi normali. Per esempio, nella figura 5.1 è riportato l andamento del contenuto medio di nichel negli acciai da bonifica nel periodo tra il 19 ed il 1955. Contenuto medio di Nichel (% p.p.) 4, 3, 2, 1, 19 19 Anno 19 19 Figura 5.1. Andamento del contenuto medio di nichel negli acciai da bonifica dal 19 al 1955. Produzione percentuale acciai da bonifica 1 8 Ni Cr V 19 19 Anno 19 19 Figura 5.2. Produzione percentuale di acciai da bonifica variamente legati dal 19 al 1955. B - 1 -

Le figure 5.2, 5.3 e 5.4 danno, invece, l andamento delle concentrazioni medie d altri elementi di lega nello stesso periodo.,1 Contenuto % p.p. Ni e Cr, V 4, 3, 2, Ni,5,1 1, Cr V 19 19 Anno 19 19 Figura 5.3. Andamento del contenuto medio di Ni, Cr, e V nella produzione mondiale degli acciai da costruzione dal 19 al 1955. Percentuale produzione totale 1 8 Ni CrV NiCr Ton di lingotti Mn Cr Si Ni Cr NiCr Altri 19 19 Anno 19 19 Figura 5.4. Quantità percentuale dei vari acciai da costruzione legati, riferita alla produzione totale negli USA dal 19 al 1955. Attualmente gli acciai da bonifica più usati sono quelli legati al CrNi o NiCr. Questi elementi di lega, opportunamente dosati, conferiscono all acciaio la necessaria temprabilità, elevate caratteristiche meccaniche e la tenacità richiesta. PROPRIETÀ DEGLI ACCIAI DA BONIFICA Gli acciai da bonifica sono usati per componenti soggetti ad alte sollecitazioni meccaniche, generate da forze di flessione, tensione, compressione, torsione e taglio. La capacità di resistere alle sollecitazioni statiche dipende dalle caratteristiche resistenziali dell acciaio (quali: la durezza, la resistenza a trazione, a compressione, a flessione, a torsione, al taglio e allo snervamento) e anche dalla tenacità, per evitare fratture da fragilità. Per i pezzi destinati alla trasmissione di potenza è spesso richiesta anche una buona resistenza all usura e alle sollecitazioni cicliche o dinamiche. Queste ultime possono portare alla frattura anche con intensità inferiori alla resistenza a trazione statica o allo snervamento (fratture di fatica). Per tale ragione il progettista deve sempre considerare queste sollecitazioni, che possono manifestarsi con varie intensità e/o direzioni. La fatica è la principale causa del cedimento dei componenti meccanici; infatti la percentuale delle fratture di fatica è circa l 8 95 % di tutte le fratture censite. Soltanto raramente le fratture di fatica possono essere imputate a difetti del materiale o ad errori di produzione (vedi paragrafo dedicato alla fatica), perchè la resistenza a fatica dipende in larga misura dal progetto, dalla forma e dalla finitura dei pezzi. Le proprietà degli acciai da bonifica sono strettamente legate alla microstruttura, che dipende dalla composizione chimica e dal trattamento termico. Per caratterizzare un acciaio allo stato bonificato si usano i risultati delle prove di trazione e di resilienza. Tuttavia, solo i valori della resistenza a trazione e del carico unitario di snervamento possono essere utili per la progettazione, visto che i valori della resilienza e della riserva plastica non sono direttamente impiegabili nei calcoli per il dimensionamento dei pezzi, benché indichino, ma solamente, se le proprietà attese dell acciaio scelto sono state ottenute. I valori della resilienza possono dare indicazioni sulla possibilità di sollecitare dinamicamente i pezzi, soprattutto dove e- sistono esperienze su applicazioni simili. Solo quando la progettazione è basata sulla teoria della meccanica della frattura, la tenacità, valutata tramite i risultati delle prove mirate a determinare i valori critici della sollecitazione che destabilizza una cricca di fatica in condizioni di sollecitazione piana (K IC o J IC norme UNI 7969 o UNI EN ISO 12737), può essere usata per il dimensionamento dei pezzi. In tal caso è indispensabile usare materiali sottoposti a prove non distruttive, che garantiscano l assenza di difetti maggiori di una dimensione definita. Negli acciai da bonifica, la struttura totalmente martensitica dopo tempra possiede la più alta durezza e resistenza a trazione, che dipendono dal contenuto di carbonio (figura 5.5) e sono sostanzialmente indipendenti dagli elementi di lega. 7,,,,8 Carbonio % p.p. Figura 5.5. Massima durezza della martensite ottenibile in funzione del contenuto di carbonio (da W. Gerber). Le strutture miste, che contengono martensite, bainite, ferrite e perlite, secondo i casi, possiedono una minore durezza e resistenza a trazione, che non dipendono interamente dalla percentuale di carbonio e dalla martensite, ma dalla durezza e resistenza e dalla percentuale volumetrica dei singoli componenti strutturali. I risultati di molte prove, elaborati statisticamente, mostrano una discreta correlazione tra la resistenza a trazione o la durezza di certe strutture e la composizione chimica dell acciaio. L azoto non combinato presente negli acciai legati da nitrurazione fa aumentare la durezza di tutti i tipi di strutture (figura 5.6). - 2 -

La resistenza allo snervamento delle strutture ferritico perlitiche può essere aumentata tramite aggiunta di elementi quali il vanadio e niobio che favoriscono l indurimento per precipitazione anche se aggiunti in concentrazione molto bassa (,5,1 %). Resistenza a trazione R m (N/mm 2 ) 11 9 7 A,2,4,6,8 % C + N 7 B 1,2,4,6,8 % C + N Figura 5.6. Effetto della somma del contenuto di C e N sulla durezza e resistenza a trazione di acciai legati da nitrurazione (da K. Vetter). Campo di composizione degli acciai esaminati:,19,53 % C,,4,44 % Si,,26,95 % Mn,,4,24 % Cr,,1,17 % Al e,1,17 % N. A) Provette Ø 1 mm temprate da 8 C in olio. Struttura: Perlite + bainite + martensite; B) Provette Ø mm laminate a caldo. Struttura: Ferrite + perlite. - 3 - Gli acciai da bonifica sono sempre sottoposti al trattamento di rinvenimento d addolcimento dopo tempra martensitica, che si prefigge di trasformare la martensite tetragonale in sorbite: una struttura costituita da un omogenea dispersione di carburi finissimi nella matrice ferritica. La sorbite è tanto più dura e resistente quanto più fini sono i carburi dispersi nella ferrite ed è tanto più tenace, a parità di durezza, quanto più omogenea è la distribuzione e la finezza dei carburi. Essa costituisce, di solito, il migliore compromesso tra le caratteristiche meccaniche tensili e la tenacità. Come s è detto, la sorbite è il risultato dell evoluzione della martensite al rinvenimento e perciò necessita della trasformazione martensitica durante la tempra per potersi formare. Dunque, le caratteristiche meccaniche finali dell acciaio bonificato dipenderanno dalla quantità di martensite ottenuta a piena tempra, oltre che dalla temperatura di rinvenimento, da cui dipendono le dimensioni e la dispersione dei carburi. Ogni acciaio da bonifica possiede una caratteristica curva di rinvenimento, cioè la variazione della durezza o delle caratteristiche meccaniche misurate a temperatura ambiente dopo il riscaldamento alla temperatura di rinvenimento per una durata sufficiente (vedi schede tecniche dei singoli acciai in allegato). Escludendo casi particolari, la temperatura del rinvenimento d addolcimento dovrebbe essere sempre maggiore di 5 C, per evitare il rischio d infragilimento, cui sono sensibili quasi tutti gli acciai da bonifica che non contengono molibdeno. Taluni acciai sono così sensibili a questo fenomeno che necessitano dello spegnimento in acqua od in olio dopo rinvenimento a temperatura superiore ai 5 C; ciò perché il raffreddamento all aria, necessariamente lento attraverso l intervallo di temperatura critico (4 5 C), sarebbe sufficiente per innescare il fenomeno. Sebbene l infragilimento da rinvenimento sia noto da molti decenni, nessuna teoria ha permesso di chiarirlo definitivamente. La più accreditata ritiene che dipenda da sub microprecipitazioni a bordo grano. Il tempo e la temperatura (figura 5.7), nonché la composizione e la grossezza del grano austenitico dell acciaio, sono i parametri che lo influenzano maggiormente. Gli acciai più sensibili all infragilimento da rinvenimento sono quelli legati al Cr, al Mn ed al CrMn; un po meno quelli legati al CrNi. Non pare siano sensibili gli acciai al carbonio e quelli legati al, od al W, per i quali l infragilimento avviene soltanto dopo permanenze lunghissime (1 1 ore) a temperatura nell intervallo critico. Anche per questa ragione gli acciai al NiCr hanno avuto grande diffusione ed indiscusso successo. Temperatura Precipitazione 1 5 1 25 Temperatura d equilibrio Tempo (log) Figura 5.7. Rappresentazione schematica del processo d infragilimento da rinvenimento. Come s è detto, la resistenza a trazione degli acciai da bonifica allo stato bonificato (condizioni d impiego) dipende dal rinvenimento d addolcimento, che dovrebbe generare una significativa riduzione della durezza dello stato temprato. La temperatura di rinvenimento di bonifica non dovrebbe essere troppo bassa, specialmente per gli acciai con bassa temprabilità, per garantire una buona trasformazione della martensite tetragonale in sorbite e dovrebbe essere scelta accortamente per non incorrere nei fenomeni d infragilimento, che si manifestano negli intervalli 2 3 C (per la precipitazione di cementite o di carburi al bordo delle placche di martensite cubica) e 4 5 C (infragilimento da rinvenimento) in numerosi acciai da bonifica. 75 Piena tempra da 8 C 5 6 Temperatura di rinvenimento C 1,,,,8 Distanza dall estremità temprata (mm)

Figura 5.8. Effetto della temperatura di rinvenimento dopo tempra sulla durezza dell acciaio 42Cr4 (da K. Vetter). 1 Temperatura di rinvenimento C Figura 5.1. Influenza del contenuto di Si sulla variazione della resilienza K DVM di acciai da bonifica UHS, con la temperatura di rinvenimento (da K. Vetter). 41SiNiCrV7 (Si = 1,7 %), temprato da 9 C in olio e rinvenuto 2 ore; 38NiCrV7 (Si <,4 %) temprato da 8 C in olio e rinvenuto per 2 ore. La figura 5.8 mostra la dipendenza della durezza dalla temperatura di rinvenimento di una provetta Jominy d acciaio 42Cr4. Come si nota, la struttura martensitica (zona prossima all estremità temprata) subisce la maggior diminuzione di durezza col rinvenimento, tanto che rinvenendo a temperatura sufficientemente elevata si può rendere omogenea la durezza di tutta la sezione trasversale di un pezzo. Il Si, il Mn e gli elementi carburigeni, V e Cr, ostacolano la riduzione della durezza durante il rinvenimento. lti autori danno formule matematiche che correlano le condizioni di rinvenimento, la composizione chimica dell acciaio e la durezza o la resistenza a trazione ottenuta dopo rinvenimento. Resistenza a trazione R m e carichi unitari di snervamento R p,2 e R p,1 (N/mm 2 ) 2 18 1 1 1 1 R p,2 R m R p,1 41SiNiCrV7 38NiCrV7 8 1 Temperatura di rinvenimento C Figura 5.9. Influenza del contenuto di Si sulla variazione della resistenza a trazione e carichi unitari di snervamento di acciai da bonifica UHS, con la temperatura di rinvenimento (da K. Vetter). Composizione e stato degli acciai: 41SiNiCrV7 (Si = 1,7 %), temprato da 9 C in olio e rinvenuto 2 ore; 38NiCrV7 (Si <,4 %) temprato da 8 C in olio e rinvenuto per 2 ore. Resilienza K DVM (J) 7 41SiNiCrV7 38NiCrV7-4 - La resistenza allo snervamento R p,2 ed il limite elastico degli acciai da bonifica dipendono dalla struttura ottenuta dopo tempra e dalla temperatura di rinvenimento. I valori di entrambe le caratteristiche sono relativamente bassi per la martensite non rinvenuta e raggiungono il massimo valore dopo rinvenimento a 2 C (figure 5.9 e 5.1). Dopo rinvenimento ad ogni temperatura, le strutture miste a piena tempra, che contengono bainite inferiore con ferrite e perlite o una certa quantità d austenite residua, possiedono un minor rapporto R e /R m o R p,2 /R m di quelle martensitiche. La figura 5.11 mostra la relazione tra il rapporto R p,2/r m e il grado d indurimento, espresso come differenza tra la massima durezza raggiungibile dall acciaio a piena tempra martensitica e la durezza HRC a piena tempra con struttura mista (durezza attuale). Rapporto R p,2 /R m in % 1 8 1 Differenza tra durezza massima ottenibile e durezza attuale HRC Figura 5.11. Relazione tra il rapporto R p,2 /R m e il grado d indurimento espresso come differenza tra durezza massima raggiungibile e durezza HRC attuale (da SAE Handbook). Cinetica di trasformazione dell austenite e temprabilità Sebbene l argomento sia stato ampiamente trattato nei capitoli terzo, quarto e quinto del primo volume e nel capitolo quarto di questo volume, riteniamo opportuno ricordare i concetti fondamentali della trasformazione anisoterma dell austenite. A tal scopo servono i diagrammi CCT, che consentono di prevedere quale struttura s otterrà raffreddando l acciaio con una data velocità di spegnimento dalla corretta temperatura d austenitizzazione. Le tre curve di raffreddamento tracciate in figura 5.12 rappresentano i casi più frequenti nella tempra degli acciai da bonifica e precisamente: curva 1: rappresenta il raffreddamento lento che conduce a trasformazioni perlitico ferritiche, tipico delle ricotture o della normalizzazione; curva 2: rappresenta la velocità di raffreddamento tipica dei casi di tempra incompleta, cioè che portano a strutture miste ferritico bainitiche con quantità variabili di martensite; curva 3: rappresenta il caso della tempra martensitica totale, cioè ottenuta con una velocità di raffreddamento superiore alla critica di tempra. La conoscenza della cinetica di trasformazione isotermica dell austenite consentì l introduzione di nuovi trattamenti termici, quali la ricottura e la bonifica isotermica e la

tempra bainitica. Inoltre fu possibile la tempra scalare martensitica o tempra interrotta, che permise d ottenere una notevole riduzione delle deformazioni e dei rischi di rottura, anche nei mezzi di spegnimento più drastici, e l uso d acciai sempre meno legati. Temperatura Ms A 3 F M A C3 P B AC1 2 1 Tempo Figura 5.12. Diagramma di trasformazione dell austenite al raffreddamento continuo (CCT) d un acciaio mediamente legato da bonifica, con tracciate le tre curve di raffreddamento caratteristiche. (1) ricottura o normalizzazione; (2) tempra martensitica incompleta; (3) tempra martensitica totale. Gli acciai al carbonio possiedono scarsa temprabilità, cioè necessitano d una velocità di spegnimento assai elevata per consentire la trasformazione martensitica. L aggiunta d elementi di lega aumenta la temprabilità e sposta a destra le curve CCT, riducendo progressivamente la velocità critica di tempra. Dunque ogni acciaio deve essere temprato in un adatto mezzo di spegnimento, sempre meno drastico (nell ordine: acqua, olio, bagno termale, aria) al crescere della concentrazione degli elementi di lega ed in funzione della specifica temprabilità e delle dimensioni del pezzo da temprare. La temprabilità degli acciai da bonifica si misura con la prova Jominy, descritta nel capitolo quinto del primo volume, cui si rimanda. 7 La durezza dell acciaio temprato dipende dal contenuto di carbonio e dalla quantità di martensite ottenuta (figura 5.13). Come si nota, oltre lo,6 % di carbonio, la durezza non varia sensibilmente, specialmente quando la trasformazione martensitica è totale. Per questa ragione gli acciai da bonifica sono tutti ipoeutettoidici, con tenore di carbonio non superiore allo, %. Le figure 5.14, 5.15 e 5.16 rappresentano schematicamente l influenza del mezzo temprante, della composizione chimica e delle dimensioni del pezzo sulla penetrazione di tempra negli acciai da bonifica. Asse del pezzo trattato Superficie esterna Acqua Olio Aria Figura 5.14. Variazione della durezza HRC in funzione della distanza dalla superficie di un barrotto d acciaio da bonifica temprato in mezzi di spegnimento diversi. Superficie esterna Asse 1 1 Distanza dalla superficie (mm) Superficie esterna Figura 5.15. Variazione della durezza in funzione della distanza dalla superficie di barrotti di diversi acciai da bonifica temprati in olio. (1) acciai fortemente temprabili; (2) acciai mediamente temprabili; (3) acciai poco temprabili od al carbonio. 1 2 3 1 % % martensite % Tempra in olio Tempra in acqua,,,,8 Carbonio % p.p. Figura 5.13. Relazione tra durezza HRC e percentuale di carbonio degli acciai da bonifica, in funzione della quantità di martensite ottenuta a piena tempra. - 5 - Figura 5.16. Variazione della penetrazione di tempra in funzione del diametro del barrotto a parità di composizione dell acciaio e del tipo di mezzo di spegnimento. Nella scelta del tipo d acciaio, tenuto conto della dimensione del pezzo e delle caratteristiche meccaniche che si desiderano ottenere dopo tempra (e di conseguenza dopo bonifica), è di fondamentale importanza la temprabilità, cioè l attitudine alla trasformazione martensitica anche a

velocità di spegnimento modeste. Essa garantisce il raggiungimento di sufficiente durezza anche in profondità, quando l acciaio è correttamente temprato dalla giusta temperatura d austenitizzazione. Come s è detto la temprabilità degli acciai da bonifica è valutata con la prova Jominy, secondo UNI EN ISO 642, che fornisce le curve di temprabilità o curve Jominy, che sono significative per gli acciai legati. Tuttavia la norma UNI EN 183 prescrive le bande Jominy anche per gli acciai speciali al carbonio, escludendo soltanto il C22, C25 e C, di temprabilità troppo bassa perchè la prova sia significativa. Tramite le curve Jominy ed i diagrammi di Gerber- Wyss è possibile prevedere la durezza ad una certa profondità dalla superficie di pezzi cilindrici a piena tempra eseguita in un adatto mezzo di spegnimento (vedi capitolo quinto del primo volume). La tabella 5.1 riassume tale previsione per la tempra in acqua mediamente agitata (drasticità H = 1 inch -1 ) e in olio di media drasticità (H =,2 inch -1 ), indicando i diametri dei pezzi che in superficie, a 3/4 di raggio ed al centro assumono a piena tempra la medesima durezza d un determinato punto della provetta Jominy. Per esempio la durezza al centro d un pezzo d acciaio 39NiCr3, di diametro 74 mm, temprato in olio, è compresa tra 36 e 52 HRC. Infatti, dalla tabella 5.1 si rileva che la durezza è uguale a quella della distanza Jominy di 25 mm dall estremità temprata. Dalla banda Jominy dell acciaio in questione (vedi scheda tecnica allegata), si deduce che alla distanza di 25 mm corrisponde una durezza compresa tra 52 e 36 HRC, in funzione della composizione della colata, del contenuto di carbonio e della grossezza del grano austenitico. Tali limiti potrebbero esser eccessivi per determinate applicazioni, perciò si prescrive una banda Jominy ristretta. - 6 -